Требования к источникам оптического излучения: их параметры и характеристики

К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования:

длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна;

достаточно большая мощность выходного излучения и эффек­тивность его ввода в оптическое волокно;

возможность модуляции оптического излучения различными спо­собами;

достаточно большой срок службы;

минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность;

минимальные габариты и вес;

простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характе­ристик.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют источники оп­тического излучения на основе светоизлучающих диодов (СИД) и полупроводниковых лазерных диодов (ЛД).

Основными параметрами источника оптического излучения яв­ляются:

1) длина волны оптического излучения , мкм, соответствующая одному из минимумов спектральной характеристики затухания оптического волокна;

2) ширина спектра оптического излучения , нм;

3) мощность оптического излучения W, мВт или абсолютный уровень мощности оптического излучения р, дБм;

4) ток возбуждения источника оптического излучения , мА, под которым понимается минимальное значение тока, обеспечивающее устойчивое световое излучение;

5) эффективность излучения, т.е. коэффициент полезного дейст­вия (КПД) источника оптического излучения, под которым понимает­ся отношение вида

,

где W₀ - мощность оптического излучения; - мощность, по­требляемая источником оптического излучения от внешнего источ­ника электрической энергии;

6) время нарастания импульса оптического излучения , за ко­торое его амплитуда возрастает от 0,1 до 0,9 своего номинального значения;

7) максимальная скорость передачи информации С, Мбит/с или частота модуляции , МГц;

8) шумы источников оптического излучения.

Основными характеристиками источников оптического излучения являются:

1) ватт -амперная характеристика ,описывающая зави­симость мощности оптического излучения W₀ от тока возбуждения (или тока инжекции - ); примерные ватт -амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 2.

2) спектральная характеристика излучения при различных вели­чинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения W/W₀ от длины волны оптического излучения, т.е. , здесь W₀ - мощ­ность оптического излучения на номинальной длине волны и W - на текущей длине волны в пределах соответствующего окна про­зрачности оптического волокна; типичная спектральная характери­стика источников оптического излучения приведена на рис. 3.

3) диаграмма направленности, представляющая пространствен­ную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диа­грамма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно.

Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA - диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излуче­ние, часть излучения не попадает в волокно. На рис. 4. представле­ны типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов.

Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптиче­ской форме, а светоизлучающего диода - к сферической.

Когда выходной диаметр источника не соответствует диаметру сердцевины волокна d_B, то потери излучения, связанные с рассо­гласованием данных параметров , могут быть определены из следующего выражения:

.

Потери отсутствуют, когда диаметр сердцевины волокна превос­ходит диаметр источника излучения.

Когда апертура NA_И источника больше, чем NA_В волокна, то поте­ри, вызванные этим рассогласованием , равны

.

Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения.

Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диамет­ром = 100 микрон и апертурой = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром d_B = 62,5 микрон и = 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны

дБ

и дБ.

Общие потери составляют = 4,08 + 0,76 = 4,84 дБ. Если вы­ходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно.