Источники оптического излучения
Формирование цифрового сигнала для передачи информации и его обратное преобразование при приеме осуществляются в стандартном оконечном оборудовании цифровой системы передачи каналогруппо образования. Сформированный на передающей станции сигнал передается на приемную станцию в виде световой энергии через оборудование волоконно-оптического линейного тракта.
Преобразование электрических сигналов в оптические происходит в оптическом передающем устройстве. Основным его элементом является источник оптического излучения.
Оптическое передающее устройство является одним из важнейших элементов, обеспечивающих качественные показатели цифровой волоконнооптической системы передачи. Оно предназначено для преобразования электрических импульсов в оптические и состоит из источника излучения, схемы управления и узла оптического сопряжения.
Источник излучения, используемый в оптической системе передачи, должен удовлетворять ряду требований:
- иметь излучение на волне длиной, соответствующей минимуму затухания оптического волокна;
- эффективно преобразовывать электрический сигнал в оптический;
- иметь малый собственный шум, достаточно малую ширину спектра излучения, большой срок службы и высокую надежность;
- обеспечивать требуемые высокие линейность и скорость модуляции.
В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют источники излучения, построенные на основе светоизлучающих диодов и инжекционных лазерных диодов.
Как светоизлучающие, так и лазерные диоды состоят из нескольких слоев полупроводниковых материалов, обладающих различными свойствами и образующих п-р переходы. Генерация излучения в таких структурах обусловлена рекомбинацией (перемещением) электронов и дырок под воздействием напряжения, приложенного к п-р переходу и смещающего его в прямом направлении. В результате этого в так называемой активной зоне, расположенной возле п-р перехода, образуются фотоны, распространяющиеся в различных направлениях. С помощью специальной конструкции можно упорядочить движение фотонов и обеспечить вывод из прибора большей части генерируемого излучения.
Основными материалами, из которых изготавливаются светоизлучающие и лазерные диоды, служат арсениды и фосфиды галия, индия и алюминия. Как светоизлучающие, так и лазерные диоды, построенные на основе арсенида галия с добавлением алюминия (Ga Al As), излучают волну длиной 0,8-0,9 мкм. Устройства на основе арсенида фосфида индия галия (In Ga As Р) могут излучать волны в диапазоне 1,0-1,6 мкм.
Светоизлучающие диоды, предназначенные для оптических систем передачи, имеют конструкцию, обеспечивающую вывод и распространение генерируемого излучения перпендикулярно плоскости п-р перехода, расположенного между слоями полупроводников с проводимостью различного типа. Важным при этом является эффективность ввода излучения светоизлучающих диодов в оптическое волокно. Ее можно увеличить сферической линзой, рисунок 82.
Рисунок 82 -Структурная схема светоизлучающего диода
Существуют светоизлучающие диоды, конструкция которых обеспечивает вывод генерируемого излучения параллельно поверхности
п-р перехода, то есть через боковую грань устройства. Это позволяет уменьшить площадь излучающей поверхности, повысить эффективность ввода генерируемого излучения в оптическое волокно. Такая конструкция хорошо приспособлена для работы с линзовым согласующим устройством. Однако в светоизлучающих диодах с торцевым излучением труднее осуществить теплоотдачу, чем в светоизлучающих диодах о поверхностным излучением.
Одной из важнейших характеристик светоизлучающих диодов является ватг-амперная характеристика (рисунок 83), отражающая зависимость излучаемой мощности (Р) от тока смещения (инжекции)(I). Из рисунка 83 видно, что светоизлучающие диоды имеют хорошую линейную зависимость выходной мощности при изменении тока смещения в диапазоне 50-400 мА. Повышение температуры приводит к уменьшению излучаемой мощности светоизлучающих диодов. При этом для приборов на основе In Ga As Р, излучающих волну длиной 1,3 мкм, эта зависимость проявляется сильнее, чем для приборов на основе Ga А1 As, излучающих волну длиной 0,85 мкм.
Рисунок 83 - Ватт-амперная характеристика светоизлучающих диодов при температуре: 1 — 20°С; 2 — 40°С
Другая важная характеристика светоизлучащих диодов — ширина спектра излучения (рисунок 84). Как следует из рисунка 84 ширина спектра излучения светоизлучащих диодов на длинах волн 0,85 и 1,3 мкм относительно велика и составляет 40-90 нм, что снижает эффективность ввода световой энергии в волокно.
Инжекционные лазерные диоды, используемые в оптических системах
a — при длине волны 0,85 мкм; б — при длине волны 1,3 мкм
Рисунок 84 - Ширина спектра излучения светоизлучающих диодов
передачи, по устройству подобны светоизлучающим диодам с торцевым излучением.
Для создания эффекта лазерного (стимулированного) излучения необходимо:
- обеспечение достаточного усиления потока фотонов, образующихся в активной области полупроводникового лазера;
- создание резонансной структуры для поддержания вынужденного (стимулированного) излучения.
Первое условие выполняется благодаря соответствующему выбору тока смещения, а второе — ограничению активной зоны полупроводникового лазера полупрозрачными гранями, получающимися при сколе кристалла.
На рисунке 85 приведена типичная ватт-амперная характеристика лазерного диода. На ней выделяются три участка. При малом токе смещения (участок а) лазерный диод подобен светоизлучающему диоду и характеризуется спонтанным излучением. При токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристики (участок в), возрастает доля индуцированного излучения, что соответствует режиму суперлюминесценции. При больших токах смещения (участок с) лазерный диод переходит в режим стимулированного излучения или генерации.
а — при малом токе смещения; б — при токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристик; с — при больших токах смещения
Рисунок 85- Ватт-амперная характеристика лазерного диода
Спектральные характеристики излучения лазерных диодов при различных токах смещения, соответствующие указанным трем режимам (участки а, в, с), приведены на рисунке 86. Спектр излучения лазерного диода в режиме генерации (участок с) характеризуется наличием нескольких пиков спектральной плотности (так называемых мод).
 а |  б |  в |
a — при малом токе смещения; б — при токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристики; в— при больших токах смещения
Рисунок 86 - Спектральная характеристика излучения лазерных диодов при различных токах смещения, соответствующих трем режимам их ватт- амперной характеристики
Число и относительные значения мод, излучаемых лазерными диодами, зависят от конструкции и размеров резонатора, образованного в полупроводниковом лазере.
В настоящее время используются лазерные диоды, генерирующие несколько мод с шириной спектральной линии порядка 0,2 ВК, и одномодовые лазерные диоды, генерирующие спектральную линию шириной порядка 0,1 нм.
Мощность излучения, генерируемого лазерным диодом, в значительной степени зависит от его температуры. Так, при повышении температуры лазерного диода от 20 до 40°С при постоянном токе смещения, превышающем пороговый ток, излучаемая им мощность снижается на 25%. Если ток смещения лазерного диода выбран близким к пороговому, то увеличение температуры приводит к режиму спонтанного излучения, характеризуемому малой мощностью и широким спектром излучения.
Для обеспечения надежной работы источника излучения необходимо стабилизировать его режим (ток смещения и температуру). С этой целью к излучателю подключается схема автоматического регулирования тока смещения, а температурный режим стабилизируется микрохолодильным устройством.
Важными показателями пригодности источников излучения различных типов для использования в оптических системах передачи являются их модуляционные характеристики. Как светоизлучающие, так и лазерные диоды могут модулироваться путем изменения питающего электрического тока (прямая модуляция). Достижимые частоты прямой модуляции составляют от 20 МГц до 1 ГГц (для светоизлучающих диодов различных типов) и от 5 до 10 ГГц (для наиболее быстродействующих лазерных диодов).
Для волоконно-оптических систем передачи в качестве источников излучения чаще используются инжекционные лазерные диоды. Они имеют ряд преимуществ перед светоизлучающими диодами по ряду параметров (излучаемой мощности, быстродействию и др.).
В условиях эксплуатации весьма важной задачей является обеспечение максимально возможного срока службы источников излучения. Это связано с тем, что светоизлучающим и лазерным диодам присуще явление деградации.
У современных СИД средний срок службы составляет 106 часов при температуре 25°С и зависит от режима работы: непрерывный при высокой температуре и/или электрические перегрузки. Увеличение температуры и перегрузки сокращают срок их службы в среднем в 1,5 раза.
Средний срок службы лазерных диодов на порядок меньше, чем у СИД.
При этом деградационные процессы в лазерных диодах протекают значительно быстрее, чем в светоизлучающих диодах. Скорость протекания процессов деградации в лазерном диоде зависит непосредственно от режимов его работы. С увеличением наработки лазерных приходится увеличивать ток смещения, что в свою очередь, приводит к еще большему ускорению деградационных процессов.
На рисунке 87 показана температурная зависимость срока службы лазерного диода. Можно видеть, что время его работы уменьшается на порядок при увеличении температуры на 40°С.
Деградационные процессы в лазерных диодах протекают быстрее при электрических перегрузках — скачках и импульсах тока. Механизм повреждения при кратковременных скачках тока обычно заключается в мгновенном перегреве поверхности лазера. Поэтому задача обеспечения оптимального режима работы источника излучения является чрезвычайно важной.
Рисунок 87 - Срок службы лазерного диода в зависимости от температуры