Источники излучения и передающие оптоэлектронные модули волоконно-оптических систем связи

где f_b — коэффициент уширения импульса.

Потери мощности можно  вычислить следующим образом:

где В — скорость передачи (бит/с), L — длина линии (км), D — дисперсионный параметр (пс/нм/км) и — среднеквадратическая ширина спектра источника, предполагаемого гауссовским (гауссовский импульс имеет скругленную форму в отличие от прямоугольного импульса).

Агравал [4.1] приводит следующие  значения для 

если 

= 0,1, то = 0,38 дБ

если 

= 0,2, то = 2,2 дБ

если 

= 0,25, то = ¥

Шум от распределения  мощности по модам (MPN) возникает в многомодовых ВОСП и вызван использованием полупроводниковых лазерных источников. Это явление возникает в результате антикорреляции между парами продольных мод.

Существует много таких мод, причем отдельные моды демонстрируют  заметную флуктуацию мощности, даже если общий уровень мощности остается относительно постоянным. Эти разные, по сути, моды, распространяясь по волокну, становятся рассинхронизированными, так как распространяются с разными скоростями. Это вызывает флуктуации принимаемого сигнала, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, а, следовательно, к потере мощности.

Вычисление этих потерь сложно, так как требует знания коэффициента распределения мощности по модам k, значения которого находятся в диапазоне от 0 до 1. - потери мощности в дБ для шума типа MPN. Эти потери мощности можно свести к очень низкому уровню (< 0,5 дБ), если спроектировать оптическую систему так, чтобы ( ) < 0,1.

Рассмотрим пример для  систем, работающих в окне 1300 нм. Предположим, что рабочая длина волны с точностью до 10 нм соответствует длине волны нулевой дисперсии и D = 1. Типичное значение = 2 для многомодовых полупроводниковых лазеров. При этих условиях потери мощности, вызванные MPN, были бы незначительны, если бы произведение BL < 50 (Гбит/с)км. Тогда, при В = 2 Гбит/с, длина линии передачи ограничивается 25 км. Потери мощности за счет MPN довольно чувствительны к ширине спектра многомодового лазера. Эту чувствительность можно снизить путем уменьшения ширины спектра лазера.

Если рассмотреть операции с DFB-лазерами в окне 1,55 мкм, то можно заметить, что потери мощности от MPN достаточно серьезны. В этой ситуации влияние MPN может быть уменьшено за счет использования DFB-лазеров с хорошими MSR-характеристиками (численно > 30 дБ).

При использовании передатчиков с непосредственной модуляцией существует оптимальная установка тока смещения, используя которую можно достичь минимального чирпа. Эта установка осуществляется настройкой определенного значения , где — коэффициент ослабления сигнала, или отношение мощностей в режимах включено и выключено. Таким образом, , или отношение мощности при передаче 0 к мощности при передаче 1. Этот коэффициент увеличивается при установке смещения выше порогового уровня, что уменьшает «чувствительность» приемника. Общее значение потери мощности может быть уменьшено до величины < 2 дБ, если система будет работать с коэффициентом ослабления сигнала порядка 0,1 .

Обратная связь по отражению обусловлена светом, отраженным обратно к лазерному источнику. Этот отраженный свет, даже если он очень малого уровня, может послужить источником сбоя системы или вызвать ухудшение ее характеристик. Фактически это может вызвать ухудшение характеристик системы до такой степени, что в ней не удастся достичь требуемого уровня ВЕК, несмотря на бесконечное увеличение входной мощности. Отражения в волоконно-оптическом звене происходят, в основном, на стыке волокно-воздух. Нужно помнить, что значительная часть передаваемого сигнала может отразиться обратно, если не будут приняты специальные меры для уменьшения этой оптической обратной связи. До сих пор при обсуждении мы уже упоминали ряд возможностей уменьшения уровня отражения или эффектов, связанных с отражением.

В общем случае можно  отметить, что большинство оптических систем работает удовлетворительно, если обратная связь по отражению по уровню ниже —30 дБ. На практике эта проблема почти решена за счет использования оптических изоляторов, размещаемых в узле передатчика (в волокнопроводе, до соединительного оптоволоконного шнура).

Коэффициент ослабления сигнала. Недостаточный коэффициент ослабления может вызвать потерю мощности. Оптоволоконный источник света имеет два состояния: включено и выключено. Допустим, что двоичный сигнал 1 соответствует состоянию включено, а 0 — выключено. Проблема в том, что в логическом состоянии выключено передатчик физически не выключен, так как это позволяет существенно уменьшить время начального нарастания светового импульса передатчика. Это дает возможность передатчику работать на более высоких скоростях, чем было бы возможно в случае его полного выключения для реализации логического состояния 0. Если предположить, что Р₀ — выходная мощность передатчика в состоянии 0, а Р₁ - выходная мощность в состоянии 1, то коэффициент ослабления сигнала можно определить так:

Это определение можно  сформулировать, используя логарифмическую меру:

где А — средняя оптическая мощность для логической 1, а В — средняя оптическая мощность для логического 0.

Если использовать PIN -детектор, то для ряда значений можно привести следующие эквивалентные значения коэффициента ослабления сигнала [4.8]:

                                   0,5    0,4    0,3    0,2    0,1    0,07   0,05    0,02

Потери мощности, дБ   3      2,2    1,7    1,0    0,5    0,3     0,2     0,1

 

 

Основные параметры промышленных источников светового излучения

 

Светоизлучающие диоды (СИД)

Выходная мощность СИД, в зависимости от конструкции  и производителя, лежит в пределах между 0,01 и 0,1 мвт (от -20 до -10 дБм).

Существуют две нежелательные  особенности у СИД, которые проектировщик системы должен принимать во внимание:

1. Угловая ширина излученного пучка:

а) для СИД с излучающей поверхностью — порядка 120°;

б) для СИД с излучающим срезом — порядка 30°.

2. Ширина спектра излучения: 30-80 нм.

СИДы производятся для  работы в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм. Однако, чаще всего они используются в первых двух окнах: 850 и 1310 нм.

СИДы существенно дешевле  в производстве, чем ЛД; они имеют  значительно больший срок службы и не требуют стабилизации температуры при работе в нормальных условиях. Что же касается условий светопередачи (на стыке СИД-волокно), то их эффективность мала. Однако, из двух указанных типов, СИД с излучающим срезом значительно более эффективен, чем СИД с излучающей поверхностью. Их применение обычно ограничено системами, работающими на скорости 155 Мбит/с и ниже. СИДы особенно широко используются в офисных системах заказчика. В табл. 2. приведена сводка основных параметров СИД с излучающим срезом и их типовых значений.

 

Таблица 2.

Сводка основных параметров СИД с излучающим срезом

Параметр	Значение
Выходная мощность, излучаемая в одномодовое волокно (25°С) Числовая апертура (NA) Время нарастания/спада  импульса Ширина полосы излучения  на уровне половины мощности Температурный коэффициент  мощности Изменение центральной  длины волны с температурой Спектральное уширение	2-50 мквт 0,1 - 0,6 3 нс (максимум) 30-60 нм 1,2%/°С (типовое) 0,5-0,8 нм/°С 0,4 нм/°С (типовое)

 

 

 

Лазерные  диоды (ЛД)

Полупроводниковые лазерные диоды, как правило, используются в  качестве источников света в высокоскоростных (> 155 Мбит/с) системах дальней связи. Выходная мощность лазерных источников для большинства производителей составляет порядка +3 - +10 дБм (1-10 мвт). Лазерные диоды с большей мощностью (напр., +20 дБм) также начали появляться на рынке. Сейчас достаточно поставить на выходе лазерного источника оптический усилитель, например, типа EDFA, чтобы увеличить его выходную мощность до 500 мвт или выше. Одной из причин, заставляющих производителей выпускать лазеры с большей мощностью на выходе, является широкое использование систем DWDM (плотного мультиплексирования по длине волны). Линейные компоненты систем DWDM имеют высокие вносимые потери. Использование таких высоких уровней выходной мощности вместе с оптическими усилителями помогает преодолеть потери в системах DWDM. Лазеры, работающие на таких больших уровнях мощности, принесли ряд проблем, в частности проблему влияния большой мощности на оптические компоненты тракта передачи. Изоляторы, используемые в качестве универсального устройства снижения световой энергии, отраженной в сторону такого лазерного источника, имеют возвратные потери > 80 дБ, что позволяет эффективно снижать отраженную мощность.

Допустим, что мы разместили последовательно ЛД типа DFB (напр., типа Lucent D2500), внешний модулятор, собранный по схеме Маха-Цендера (напр., типа Lucent Lithium-Niobate) и усилитель типа Lucent EDFA с усилением 28 дБ. И пусть выход лазерного диода будет на уровне 0,0 дБм, а вносимые потери внешнего модулятора составляют 6 дБ. Кроме этого могут быть другие потери мощности порядка 2 дБ за счет использования изоляторов и оптических разъемов. Выходная мощность такой комбинации будет равна:

0,0 дБм - 6 дБ - 2 дБ + 28 дБ = +20 дБм.

Если воспользоваться  рекомендуемым компанией Lucent значением потерь мощности за счет дисперсии, то выходная мощность уменьшится до + 18 дБм.

 

Сравнение характеристик СИД с характеристиками некоторых типов лазерных диодов

Сравнение характеристик  СИД с излучающим срезом (ELED) и других типов лазерных диодов приведено в табл. 3.

 

Таблица 3.

Сводка параметров СИД  типа ELED и других ЛД^а)

Параметр	СИД типа ELED	FP (MLM)-лазер	DFB-лазер с внешним модулятором	Лазер типа VCSEL
Длина волны, нм	850/1310	1310/1550	1550	850/1310
Мощность на стыке с ОВ, дБм	-10 - -15	0,0	0,0	0,0
Спектральная ширина линии, нм	30-60	< 3	<0,1	< 3
Максимальная скорость, Гбит/с	< 0,155	>2	> 10б)	2
Тип волокна	многомодовое	одномодовое	со сдвигом дисперсии	многомодовое или одномодовое
Цена	низкая	умеренно высокая	высокая	умеренная
MTBFв), часы	109	108	107	108

^а) Спектральная ширина линии определяется в терминах полной ширины на половине от максимума (FWHM). Это спектральная ширина излучаемого светового сигнала оптического источника, измеренная в нанометрах на уровне половины пикового значения мощности.

^б) В настоящее время это значение расширено до 40 Гбит/с, но может быть и больше.

^в) MTBF - среднее время наработки на отказ. Это значение оценочное, при условии, что устройство работает в нормальных условиях.

 

 Сравнение ширины спектра излучения СИД и ЛД

На рис. 11 приведены для сравнения формы спектральных линий СИД и лазерного диода.

Рис.11. Типичные спектры линий, излучаемых СИД и ЛД. Амплитуды спектральных линий были нормализованы (приведены к одному значению). Фактически пиковая интенсивность ЛД много больше, чем у СИД.

 

Рабочие характеристики некоторых  промышленных лазерных диодов

Настраиваемые лазерные передатчики для длинных  секций и скорости 2,5 Гбит/с типа С488 компании Lucent Technologies

Передатчик С488 создан на основе лазера на 1500 нм, электроабсорбционного модулятора и интегрированного стабилизатора. Компания Lucent утверждает, что это устройство способно вести передачу на расстояние 360 км или 640 км на скорости 2,5 Гбит/с. Оно может быть использовано в системах DWDM с шагом несущих в 50 ГГц и меньше. В табл. 4. приведены его основные оптические характеристики.

Таблица 4

Основные оптические характеристики SLM (DFB) - лазерного передатчика

Параметр	Типовое значение	Значение по рекомендации G.957	Промышленное значение	Комментарий
Выходная средняя оптическая мощность	0 дБм	+3 дБм	+2 - +6 дБм	> +20 дБм1,2) при использовании ОУ по определению
Флуктуации выходной мощности	0,5 дБ	+3 - -2 дБ	0,5 дБ	учтено в бюджете звена связи
Потери за счет дисперсии	1,0 дБ	в стадии изучения	2 дБ для длинной секции	желательно расширение до 16003)
Рабочий диапазон волн, нм	1280-1480; 1500-1650	1260-1360; 1500-1580	1260-1480; 1500-1660	-
Минимальные возвратные потери	24-30 дБ	24 дБ	24 дБ	желательно иметь > 11 дБ
Коэффициент ослабления сигнала	10 дБ	8,2; 8,3 дБ	11 дБ