Модуляция оптического излучения
1. Модуляция - Это изменение параметров оптической несущей по закону информационного колебания.
2. Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду. Прямая модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения.
3. Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением, как показано на рисунке 4.1. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции могут искажаться. Поэтому при модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования применяется степенная аппроксимация.
Рисунок 1 - Прямая модуляция со смещением
4. Полоса частот ограничена спадом АЧХ
5. При попадании сигнала на нелинейные участки сквозной характеристики, возникают нелинейные искажения.
6. АЧХ СИД и ППЛ
Рисунок 4.2 -Частотная характеристика модуляции СИД
Реальная полоса частот модуляции СИД зависит от конструкции прибора и, как правило, не превышает 100 МГц.
Рисунок 4.3 - Частотные характеристики модуляции ППЛ
7. Виды внешней модуляции:
- электрооптическая;
- магнитооптическая;
- упругооптическая;
-Электроабсорбционный эффект.
8. Электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.
Электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.
9. Модулятор Маха – Зендера может быть отнесён к электрооптическим модуляторам. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов. Распределенная связь между световодами отсутствует, они играют роль фазового модулятора.
Рисунок 4.4 - Модулятор Маха – Зендера
10. Шумы, возникающие при модуляции тока накачки лазера, подразделяются:
· шумы, обусловленные спонтанным излучением;
· шумы, обусловленные изменением температуры и тока (дробовый шум);
· шумы, обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном;
· шумы перескока моды;
· шумы частотной модуляции.
11. Нелинейные искажения при модуляции уменьшаю путем ввода в схему модулятора отрицательной обратной связи.
12. В состав оптического передатчика обычно входят источник оптического излучения, согласующее оптическое устройство, электронные схемы модуляции и стабилизации режимов работы источника излучения.
Главным элементом ПОМ является источник излучения. Он должен излучать на длине волны, соответствующей одному из окон прозрачности ОВ; обеспечивать достаточно высокую мощность излучения и эффективный ввод его в ОВ; иметь высокое быстродействие, позволяющее осуществлять высокоскоростную модуляцию; отличаться простотой, надежностью и малыми габаритами.
13. Терморегулятор и термодатчик применяются для стабилизации температуры и следовательно – для уменьшения шумов.
Фотодетекторы
1. К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:
ü высокая чувствительность;
ü требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
ü низкий уровень шумов;
ü требуемое быстродействие;
ü длительный срок службы;
ü использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.
В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.
2. В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД).
3. Полупроводниковые фотодиоды обеспечиваю требуемую полосу частот и быстродействие.
4. Характеристики p-i-n фотодиода
Рисунок 5.1 - Спектральная чувствительность фотодиодов
Рисунок 5.2 - Вольт-амперная характеристика фотодиода
Рисунок 5.3 - Характеристика быстродействия
5. Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности.
6. Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.
7. Лавинные фотодиоды, ЛФД (avalanche photodiode (APD)) — это высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт). В отличии от p-i-n фотодиода, в конструкции есть дополнительная область Р+.
8. При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации ( лавинного умножения) генерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей заряда.
9. Величина t б определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i – слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока.
10. Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения (M), довольно информативной является следующая:
где L — длина обрасти пространственного заряда, а α — коэффициент умножения для электронов (и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от приложенного напряжения, температуры и профиля легирования. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёт температуры задающей напряжение схемой.
11. Шумы фотодиодов.
· Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.
· Шум фототока (дробовый шум) обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар и т. д.
· Тепловой шум вызывается случайным тепловым движением электронов в нагрузке фотодетектора
· Фоновый шум, возникающий при случайной засветке фотодиода
12. Шумы темнового тока и дробовый шум не устранимы.
13. Фотодиоды конструкции TAP разработаны в середине 90-х годов 20 века для преодоления проблемы частотного ограничения детектируемых сигналов. Проблема связана с паразитными ёмкостями и резисторами фотодиодов P-i-N и APD . Разработки этих приборов особенно актуальны для систем передачи на скорости 160 Гбит/с (например, STM 1024). Фотодиоды TAP обеспечивают эффективное детектирование оптических сигналов в полосе частот до 200ГГц, что в сравнении с приборами P-i-N и APD даёт преимущество по полосе частот в 4-5 раз. При этом сохраняется температурная стабильность и интегрируемость приборов.
Рисунок 5.4 - Расположение зон оптического усиления и поглощения в распределённых фотодетекторах бегущей волны TAP (TPWD и P-TPWD)
Как видно из рисунка входная оптическая мощность увеличивается усилителем до величины насыщения. Это может происходить однократно и многократно и тем можно добиваться требуемой величины фототока и быстродействия.
5.2 Фотоприемные устройства.
1. При прямом детектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал (рисунок 6.1).
Рисунок 5.1 - Прямое детектирование оптического сигнала
Электрический сигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока (фототока), который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом.
При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал (рисунок 6.2).
Рисунок 5.2 - Детектирование с преобразованием
2.
| Эл. сигн |
| опт. сигн |
Рисунок 5.3 -Структурная схема ФПУ с детектированием.
1– оптический усилитель.
2– фотоэлектронный полупроводниковый преобразователь (ЛФД или p-i-n ФД).
3– предварительный малошумящий усилитель с полосой пропускания, согласованной с ПЧ (полосой частот) вх.сигнала. ПУ предназначен для достижения max отношения сигнал/шум. Требования по max усилению вх.сигнала к нему не предъявляют.
4- главный усилитель. Максимально увеличивает уровень сигнала. Работу этого блока контролирует АРУ.
5– устройство коррекции. Здесь компенсируются искажения, внесенные входной цепью ФПУ и уменьшает мощность шума.
6– устройство обработки сигнала. Позволяет восстановить импульсную или аналоговую форму сигналу.
3. В сборках фотоприемных устройств в качестве предварительных усилителей (ПУс) применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные.
4. Входная цепь состоит из оптического усилителя и фотоэлектронного полупроводникового преобразователя (ЛФД или p-i-n ФД).
5. Входной сигнал поступает на оптический усилитель. Сигнал на входе блока ОУ передается на рабочей длине волны λ1 и поступает на оптический гибридный смеситель. Смешанное излучение поступает на блок ФЭППП. С его выхода сигнал в электрическом виде поступает на блок предварительного усилителя.
6.
o 
Рисунок 5,4 - Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ
7. 
Отношение сигнал /шум определяется фототоком.
8. Противошумовая коррекция ФПУ
Рисунок 5,5 - Схема противошумового корректора
9. При гомодинном детектировании частота несущей оптического сигнала совпадает с частотой ООГ и на выходе ФПУ выделяется информационный электрический сигнал. При гетеродинном детектировании частота несущей отличается от частоты ООГ. Разность этих частот представляет радиочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом.
10. Модуляция вида NRZ-DPSK(фазовая модуляция) для высокоскоростных систем 10 и 40Гбит/с признана высокоэффективной с точки зрения использования спектра и помехоустойчивости. При этом для построения приёмника необходимо использование двух фотодетекторов и дифференциального усилителя. Оптический сигнал разделяется в интерферометре фазового демодулятора для подачи на фотодетекторы, где в одном из выходов производится задержка передачи на один временной такт.
Оптические усилители
1. Оптические усилители основаны на следующих эффектах:
Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.
2. Типы оптических усилителей:
Рисунок 7.1 - Классификация оптических усилителей
3. Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам: усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами (рисунок 6.2), и резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения (рисунок 6.3).
4.
Рисунок 7.2 - Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика
Рисунок 7.3 - Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика
5. Волоконные усилители на основе рассеяния Рамана
6. Эрбиевый усилитель
7. Характеристики оптических усилителей.
(+ ответ на вопрос 9. – Значение коэффициентов усиления для п/п и оптических усилителей)
Таблица 7.1 Характеристики полупроводниковых усилителей
Таблица 7.2 Характеристики волоконных усилителей
7. Усилители могут использоваться на передаче – бустеры, в тракте – линейные усилители и на приеме – предусилители.
8. В оптических усилителях присутствуют следующие шумы:
- собственные тепловые шумы усилителя;
- шум усиленной спонтанной эмиссии ASE.
10. Преимущества рамановских оптических усилителей:
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) или рамановское рассеяние может превратить волоконный световод в оптический усилитель с оптической накачкой. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки Pн, деленной на площадь модовой пятки А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления ВКР g.
В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.
Величина коэффициента g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор.