Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи

дипломная работа

1. Обзор работ по решаемой проблеме и постановка задачи проектирования оптического усилителя сигнала ВОЛС

В последние два десятилетия происходит интенсивное развитие информационных технологий, в том числе новых методов и средств телекоммуникаций. Оптическая связь бурно развивается со времени изобретения в 1960 году А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и Ч. Таунсом квантового генератора излучения - лазера [2].

Лазерные структуры, предварительно предназначенные для передачи оптического сигнала от источника сообщения, позднее стали использоваться и в качестве оптических промежуточных усилителей сигнала, о чем повествуют монографии [1] и [2].

Действие типичных излучателей ВОЛС - лазеров, основано на квантовых явлениях. Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Прежде всего, различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее “запрещены”, т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не совсем буквально).

В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера -- в рубиновом лазере.

В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень и состояние . Переход с уровня на основной , строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях это -- длительное время. Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию свойства накопителя энергии.

Если стержневой рубиновый кристалл с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего, в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня переносятся в энергетическую зону (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону , но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден. Более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень , первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.

С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния в состояние и при этом отдает энергию излучения -- сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневой кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий и , это соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.

Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Индуцированное колебание согласуется по частоте и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об “усилении света индуцированной эмиссией излучения”. Отсюда произошло слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.

Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного оптического излучения.

В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-алюминиевый гранат с примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 -- 810 нм, основной лазерный переход -- на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)

Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потерями.

Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить газовый лазер. Один из наиболее известных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы прежде всего, перевести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы неона создают при описанном синхронизированном обратном переходе в основное состояние, индуцированное излучение.

Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отличается от активного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем -- оптически точно выверенная -- вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере, одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор (окно Брюстера).

Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение света различных длин волн. Так, лазер на He-Ne может принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотно селективной пленки на зеркало.

Газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которая оказывается полезной во многих случаях.

Однако для волоконно-оптической связи гораздо важнее когерентности для высокоскоростной передачи информации оказалась простота модуляции мощности излучения, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.

Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес для техники связи.

Кроме названных проблем, существенными недостатками газового лазера являются его размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем более, если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы, которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за редким исключением исчезли и представляют только исторический интерес.

Полупроводниковые приборы господствуют в широкой области электроники, они не требуют высоких рабочих напряжений, компактны и недороги.

Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а непосредственно электрической. Рекомбинация инжектируемых через прямосмещенный p-n-переход пар электрон-дырка в обедненном i-слое лазерной p-i-n-структуры генерирует кванты излучения. Часть излучения выходит из структуры и может быть собрана и направлена в оптоволокно.

В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом лазере крепление зеркал при его габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий коэффициент преломления полупроводников, позволяет реализовать функцию отражения от границ раздела оптических сред. Если сколоть кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности скола работают аналогично отражателям оптического резонатора типа Фабри-Перо, за счет отражения Френеля

Из сказанного ранее следует, для излучения полупроводниковой структуры необходима инжекция. Для ее осуществления к p-n-переходу прикладывается прямое напряжение в направлении проводимости (прямом направлении). Это вызывает инжекционный ток, и, путем нарушения динамического равновесия носителей зарядов (электронов и дырок) -- инверсию населенностей энергетических зон в области р-n перехода.

Типовая характеристика типичного лазерного диода приведена на рисунке 1.1. При достижении током порогового значения, зависящего от конкретного диода (на рисунке 1.1, Iп = 75 мA) начинаются процессы когерентного излучения, при этом мощность излучения резко возрастает.

Рисунок 1.1. - Типовая ватт-амперная характеристика лазерного диода [2].

Если повышать ток через переход, то при его пороговом значении будет достигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение. Это означает, что выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен.

При меньших токах наблюдается медленный рост оптической мощности при увеличении тока накачки, а излучение не когерентно. Эта область относится к светодиодному излучению.

Значения порогового тока большинства лазерных диодов лежат в интервале 30…250 мA для большинства диодов. Напряжение прямого смещения составляет 1,2…2 В при пороговом токе [3].

Если подавать в лазерную структуру дополнительную оптическую энергию, порог его генерации сдвинется в сторону меньших инжекционных токов. Это показано рисунком 1.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

80

79

Рисунок 1.2 - Зависимость Ватт - амперной характеристики лазерного диода от введенной мощности оптического сигнала (Ф1> Ф2> Ф3> Ф4) [2].

В результате, при поступлении на лазерный диод подсветки из волокна его выходная характеристика сдвигается - пороговый ток становиться меньше. Данное явление используется в полупроводниковых оптических усилителях сигналов ВОЛС.

Лазерные диоды обычно имеют ширину спектральной линии 1…5 нм, что значительно меньше, чем ширина спектра излучения светодиодов. Ширина спектра ЛД больше, чем у газовых лазеров, потому что излучательные переходы в полупроводнике происходят между энергетическими зонами, а переходы в газовых лазерах - между энергетическими линиями. Это явление приводит к ширине спектра намного большей, нежели обусловленной эффектом Доплера в газах.

Когда ток накачки только немного превышает порог, лазерный диод имеет многомодовый спектр. При увеличении тока происходит уменьшение ширины спектра и числа продольных мод. При достаточно большом токе спектр будет содержать только одну моду. Ширина линии при этом становится заметно уже, примерно 0,2 нм, чем у многомодового лазера. Диод с одной продольной модой минимизировал бы материальную дисперсию в волокне вследствие узкой спектральной линии.

Шум лазера - это нежелательные случайные колебания уровня выходного излучении лазерного диода, которые происходят даже, когда ток накачки постоянен. Это явление сильно выражено у некачественных лазеров, но в разной мере присутствует во всех. Шум лазера достигает максимума при модуляции диода на собственной резонансной частоте лазера (обычно несколько ГГц). По этой причине, шум лазера сильнее проявляется в высокочастотных линиях связи, чем в низкочастотных. Хорошо выполненные лазерные диоды вносят малые шумы в суммарный шум системы.

В некоторых лазерах шум достигает пика при пороге генерации. Когда ток накачки превышает порог, шум лазера остается постоянным, в то время как выходная мощность быстро растет. Таким образом, относительное уменьшение шума наблюдается при превышении уровня тока накачки порога лазерной генерации.

Современная элементная база ВОЛС построена на интегральных модулях приемников и источников излучения. Вид модуля передатчика ВОЛС, содержащего лазерный диод и интегральную электрическую схему, показан на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Передающий модуль ВОЛС [4].

На рисунке 1.4 показан типичный внешний вид фотоприемного модуля. Герметичный стандартный корпус типа «Баттерфляй» соединен с одноходовым оптическим волокном, содержащим оптический разъем. Выход электрического сигнала осуществляется через высокочастотный разъем типа SMA с волновым сопротивлением 50 Ом.

Рисунок 1.4 - Фотоприемный модуль с корпусом типа «Баттерфляй» [4].

Данный фотоприемный модуль с одномодовым оптическим входом, изготовлен на основе кремниевого фотодиода p-i-n-типа, предназначен для использования в волоконно-оптической технике широкого применения: линиях связи, измерительных приборах и др. - в качестве преобразователя оптического сигнала в электрическую форму.

Делись добром ;)