Источники излучения и передающие оптоэлектронные модули волоконно-оптических систем связи

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО “Уральский Федеральный Университет имени первого президента России БМ Ельцина”

Источники излучения  и передающие оптоэлектронные модули волоконно-оптических систем связи

Реферат по теме № 37

По ОПТСС

Преподаватель Удинцев В. Н.

Студент Чемоданов Е. В.

Дата 30.06.2011

 

Екатеринбург

2011

 

Введение

 

Современные источники  света, или передатчики, состоят  из интегральных схем и лазерных диодов (ЛД) или светоизлучающих диодов (СИД). Их излучение модулируется с  помощью отдельных интегральных схем, которые в настоящее время в большинстве своем заменили используемые раньше оптические передатчики, собранные из дискретных электрических компонентов и электрооптических устройств. Сегодня на сцену вышли СБИС, чтобы удовлетворить еще более высоким скоростям и повысить надежность. На рис. 1 приведена упрощенная блок-схема волоконно-оптического передатчика.

Рис. 1. Упрощенная блок-схема волоконно-оптического передатчика.

 

 

 

Существуют два основных типа источников света, применяемых в ВОСП: СИД и ЛД. В этой главе мы рассмотрим их как отдельные элементы, понимая, однако, что они, фактически, формируют узлы описанных выше интегральных схем. Мы также обсудим новый тип источника — VCSEL — лазер с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью.

 

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ)

Предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в  волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные  ПОМ, отличающиеся по конструкции, а так же по типу источника излучения.

Главным элементом ПОМ  является источник излучения. Он должен удовлетворять основным требованиям:

• Излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна.
• Источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;
• Источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть его излучения должна попадать в волокно с минимальными потерями;
• Источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не настолько, чтобы излучение не приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;
• Температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;
• Стоимость производства источников излучения должна быть относительно невысокой.

Перечисленным требованиям  удовлетворяют два типа источников излучения: светодиоды (LED) и полупроводниковые  лазерные диоды (LD). Они отличаются между собой шириной спектра излучения.

Рис. 1. Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Носители заряда – электроны и дырки – проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев (р- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на р-n структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Длина волны излучения l (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Е^g (эВ) законом сохранения энергии l=1,24/ Е^g(рис 2 )

Таблица 1

Композиционные материалы, используемые для создания источников излучения различных длин волн

Активный материал	Подложка	Диапазон возможных  значений Еg, эВ	Диапазон излучаемых длин волнl, нм
Ga(1-x)AlxAs	GaAs	2. 02….1.42	610…870
In(1-x)GaxAsyP(1-x)	InP	0.95	1100…1700
In0.37Ga0.27As0.58P0.42	InP	0.95	1310
In0.57Ga0.42As0.9P0.1	InP	0.8	1550

 

 

Светоизлучающие диоды

 

Светоизлучающие диоды — СИДы, используемые в связи, излучают свет в близкой ИК области. Они недороги, по сравнению с большинством лазеров. Первоначально СИДы использовались с многомодовым волокном, учитывая, что они излучали свет в широком конусе, который мог быть захвачен эффективно только многомодовым волокном, имеющим большую числовую апертуру.

СИД в самом простейшем случае является диодом с р-п гомопереходом, смещенным в прямом направлении. Рекомбинация пар электрон-дырка в обедненной зоне генерирует свет. Часть его выходит из диода и может быть собрана и направлена в оптоволокно. Излучаемый свет некогерентен, имеет достаточно широкий спектр (30-60 нм) и излучается в конусе под относительно большим углом.

Имеются две основные конструкции СИД: с поверхностным и торцевым излучением. Основой первой является двухслойный полупроводник, содержащий р-п-переход. При прямом напряжении смещения спонтанная излучательная рекомбинация происходит непосредственно в области р-п-перехода, а свет распространяется по всем направлениям. Поэтому излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным. В СИД с торцевым излучением используется двойная гетероструктура, представляющая собой в упрощенном виде трехслойный полупроводник

Рисунок 3.1 Конструкция поверхностного светодиода

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.

 

Рисунок 3.2 Конструкция торцевого  светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.

Работа  светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запрещенной зоны активного слоя:

                                        (3.2)

При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться  в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев  полупроводников, поглощаться кристаллами  и излучаться с поверхности (рисунок 3.1) или из торца (рисунок 3.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).

Основные характеристики светодиодов  

Ваттамперная характеристика светодиодов  показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через  прибор (рисунок 3.3).

 

Рисунок 3.3 Ваттамперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями  по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя. 
Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться [8]. 
Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рисунок 3.4)

 

Рисунок 3.4 Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД (около 10 - 30 нм), для поверхностного СИД  (около 30 - 60 нм). 
Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок. 

Лазерные диоды

 

Если системные требования не так строги, то в качестве источника  света обычно выбирается СИД. Лазерные диоды обычно используются для линий связи большой длины или при большой скорости передачи (выше 155 Мбит/с). Существует несколько типов ЛД (все моды, рассмотренные ниже, продольные — LM):

- многомодовые (MLM) или с резонаторами Фабри—Перо;

- одномодовые (SLM);

- одномодовые с распределенной обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами;

- DFB-лазеры с внешним модулятором;

- лазеры с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL).

Типы лазеров приведены  в порядке их разработки, в этом же порядке они будут рассмотрены  ниже.

 

 

Многомодовые (MLM) лазеры, или лазеры с резонаторами Фабри—Перо

Многомодовые лазеры, или лазеры с резонатором Фабри-Перо, излучают несколько мод, спектр которых приведен на рис. 5. Картина спектра демонстрирует наличие доминантной моды желаемой длины волны и боковые моды меньшей амплитуды, отделенные промежутками шириной примерно в 1 нм. При модуляции излучения лазера модулируется не только основная мода, но и, точно также, боковые моды. Полная ширина спектра оптического излучения такого лазерного источника на уровне половины от максимума (FWHM) при наличии модуляции равна 4-5 нм.

Рис. 5. Спектр многомодовых лазеров, или лазеров с резонатором Фабри-Перо

 

Более тщательное изучение спектра лазера показывает, что несмотря на относительную стабильность полной выходной мощности, мощность каждой отдельной  моды может значительно изменяться. Это явление, известное как распределение мощности по модам, имеет важное практическое значение. Когда лазерный сигнал передается по волокну, то, с учетом групповой задержки (хроматической дисперсии), зависящей от длины волны, распределение мощности по модам приводит к возрастанию уровня шума в выходном сигнале. В результате в характеристике системы появляется не зависящий от мощности нижний уровень ошибок, который нельзя снизить путем выделения дополнительной мощности в бюджете системы. Для систем, работающих со скоростями передачи данных большими, чем несколько сотен Мбит/с, на волокне с малыми потерями, это явление может стать основным фактором, ограничивающим длину пролета секции. Более того, даже небольшие отражения (обратно в сторону лазера) от внешних поверхностей оптического разъема, могут вызвать значительные изменения в «поведении» при распределении мощности по модам, а значит и в характеристиках самой системы.

Замечено, что имеется  конечная вероятность того, что уровень  четных мод, составляющих, в среднем, несколько процентов от общей мощности, может достичь больше половины общей мощности. В этом смысле было бы правильным определить эффективную ширину спектра лазера, как спектральный диапазон, в пределах которого моды, в среднем, могут переносить 1 или больше процентов общей мощности .

 

Одномодовые (SLM) лазеры

SLM-лазеры сконструированы так, что потери в резонаторе различны для его различных продольных мод, в противоположность тому, что имеет место для MLM, потери которых независимы от мод. В MLM-лазере продольная мода с минимальными резонаторными потерями достигает порога первой и становится доминантной модой. Другие соседние моды при этом дискриминируются, благодаря их более высоким потерям, которые удерживают нарастание мощности от спонтанного излучения. В этом случае мощность, переносимая этими «вторичными» модами, обычно низкого уровня, меньше 1% полной излучаемой мощности. Если SLM-лазер настроен правильно, то можно ожидать, что первая боковая мода по крайней мере на 30 дБ ниже, чем доминантная мода.

 

 

 

Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB)

Структура DFB-лазера имеет встроенные возможности выбора длины волны благодаря механизму обратной связи. Обратная связь не локализована в одном месте, а распределена по длине резонаторной полости. Этот тип лазера содержит периодические дифракционные решетки между двумя слоями лазерной структуры (обычно между интерфейсной п-InP подложкой и n-InGaAsP слоями) для создания обратной связи на фиксированной длине волны, которая определяется шагом дифракционной решетки. Это соответствует периодическому изменению показателя преломления моды.

DFB-лазер очень чувствителен к оптической обратной связи, в особенности от оптических разъемов, которые служат интерфейсами между лазером и волокном основной линии связи. Даже относительно небольшая обратная связь (уровнем меньше, чем 0,1%, например) может дестабилизировать лазер и повлиять на характеристики системы. Так, например, если ширина линии увеличивается, то может произойти скачкообразное изменение моды и увеличение шума относительной интенсивности (RIN) - шума, генерируемого DFB-лазером). Можно предпринять ряд шагов, чтобы уменьшить интенсивность обратной связи или ослабить эффект от ее влияния. Один из таких шагов - использовать антиотражающие покрытия. Обратную связь можно также уменьшить путем скалывания кончика волокна под небольшим углом, так чтобы отраженный свет не попал на активную область такого лазера. Еще один, более радикальный, шаг состоит в том, чтобы установить изолятор между лазером и интерфейсом оптического разъема.