- •1.1 Характеристика диапазона электромагнитных волн для оптической связи
- •1.2 Характеристика физических сред для передачи оптических сигналов
- •Устранение “водяного” пика
- •1.3 Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов
- •1.4 Структурная схема оптической системы передачи
- •2.1 Мультиплексирование плезиохронное pdh
- •2.2 Мультиплексирование синхронное sdh
- •2.3 Мультиплексирование асинхронное atm
- •2.4 Мультиплексирование отн
- •2.5 Мультиплексирование Ethernet
- •2.5.1 Ethernet стандарта EoT itu-t g.8010 в оптической системе передачи
- •2.5.2 Схемы мультиплексирования Ethernet
- •3.1 Требования к излучателям
- •3.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
- •3.2.1 Конструкции светодиодов для оптической связи
- •3.2.2 Принцип действия светодиодов
- •3.2.3 Основные характеристики светодиодов
- •3.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
- •3.3.1 Определение лазера
- •3.3.2 Определение резонатора для лазера
- •3.3.3 Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров
- •3.3.4 Классы лазерных устройств для систем оптической связи
- •3.4 Согласование источников оптического излучения с физическими средами
- •3.4.1 Соединение источника с волокном
- •3.4.2 Линзовые соединения
- •3.4.3 Вывод излучения в атмосферу
- •3.4.4 Перестройка частоты излучения лазера
- •4.1. Определение модуляции и классификация видов
- •4.2. Прямая модуляция
- •4.2.1 Модуляционные характеристики светоизлучающего диода
- •4.2.2 Модуляционные характеристики полупроводникового лазера
- •4.2.3 Шумы модуляции лазера
- •4.2.4 Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения сид и ппл
- •4.2.5 Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули
- •4.3. Внешняя модуляция оптического излучения
- •4.3.1 Электрооптическая модуляция
- •4.3.2 Электроабсорбционная модуляция
- •4.3.3 Модулятор Маха – Зендера
- •4.3.4 Акустооптическая модуляция
- •4.4. Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции
- •5.1 Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам
- •5.2 Фотодиоды конструкции p-I-n. Принцип действия, основные характеристики
- •5.3 Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества лфд
- •5.4 Фотодиоды конструкции tap
- •5.5 Шумы фотодиодов. Эквивалентная шумовая схема фотодиода
- •6.1 Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованем). Требования к фотоприемным устройствам
- •6.2 Фотоприемные устройства с прямым детектированием
- •6.3 Фотоприемные устройства детектирования с преобразованием
- •6.4 Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания
- •6.5 Оценка соотношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства
- •6.6 Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании модуляции nrz-dpsk
- •7.1 Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей
- •7.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики
- •7.3 Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики
- •7.4 Оптические усилители на основе эффекта рассеяния
- •8.1 Способы построения линейных трактов оптических систем передачи
- •8.2 Требования к линейным сигналам одноволновых оптических систем передачи
- •8.3 Линейные коды оптических систем передачи. Классификация кодов и их характеристики
- •8.4 Алгоритмы формирования сигналов в линейных кодах восп
- •8.4.1 Алгоритм формирования скремблированного линейного сигнала
- •8.4.2 Алгоритмы формирования линейных сигналов в классе кодов 1в2в
- •8.4.3.Алгоритмы формирования линейных сигналов в классе кодов nBmB
- •8.5 Проектирование линейных одноволновых трактов восп. Ограничения длины регенерационного участка
- •8.6 Требования к линейным трактам систем с многоволновой передачей
- •8.7 Проектирование линейных трактов многоволновой передачи. Ограничение длины участка регенерации и ретрансляции
- •8.9 Упреждающая коррекция ошибок в оптических системах передачи
- •9.1 Оптические разъемные соединители (коннекторы)
- •9.2 Соединительные розетки и адаптеры
- •9.3 Оптические аттенюаторы
- •9.4 Оптические кроссы
- •9.5 Оптические ответвители (разветвители)
- •9.6 Оптические изоляторы (вентили)
- •9.7 Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры
- •9.8 Оптические циркуляторы
- •9.9 Компенсаторы дисперсии
- •9.10 Преобразователи длин волн
- •9.11 Оптические коммутаторы и маршрутизаторы
- •9.12 Фотонные кристаллы
- •10.1 Определение оптического солитона
- •10.2 Нелинейные оптические эффекты в стекловолокне и существование солитонов
- •10.3 Принципы построения солитонных волоконно-оптических систем передачи
1.3 Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов
Исходя из используемых спектральных диапазонов волн оптического излучения (0,8 1,6 мкм) и некоторых перспективных участков от 1,6 мкм до 50 мкм можно отметить, что им соответствуют энергии запрещенной зоны 0,1 5 эВ, которыми обладают полупроводниковые материалы. Энергетическая модель материала представлена на рисунке 1.13.
Рисунок 1.13 Энергетическая модель материала
Материал, у которого значение Eg = 0, называют проводником. Если Eg 5 эВ, то материал называют изолятором.
В процессах взаимодействия излучения с материалом играет роль прежде всего энергетическая структура внешних электронных оболочек, а именно верхнего валентного уровня (Ev) и уровня ионизированного (Ес) – свободного электрона. Электрон, обладающий энергией, соответствующей одному из уровней валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован. Если же электрон занимает место в зоне проводимости, то он не связан с решеткой и может свободно перемещаться по кристаллу. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход. Наиболее существенными являются переходы из одной зоны в другую, т.к. они сопровождаются качественными изменениями состояния кристалла. Закономерности перехода электронов в разные энергетические состояния и определяют процессы взаимодействия излучения с веществом. В состоянии термодинамического равновесия вероятность нахождения электрона на том или ином уровне (Ес или Ev) определяется функцией распространения Ферми – Дирака
(1.11)
где EF - уровень Ферми, совпадающий с энергетическим уровнем, для которого эта вероятность составляет 0,5;
К – постоянная Больцмана 1,38 х 10–23 Дж/К,
Т- температура по Кельвину.
Электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить энергию в виде кванта
(1.12)
где h и f определены в (1.1).
По скорости протекания процессов перехода электронов из одних состояний в другие материалы условно подразделяют на прямозонные и непрямозонные. Это принципиальное разделение материалов на два класса обусловлено тем, что в прямозонных материалах процессы перехода электронов проходят с минимальной задержкой и имеют высокую квантовую эффективность, т.е. выделение или поглощение квантов энергии, а в непрямозонных материалах эти процессы заторможены или вообще не происходят. Типичными прямозонными материалами являются GaAs, InAs, ZnS, GdS, а непрямозонными – Si, Ge, GaP, SiC. Эти материалы – полупроводники. Прямозонные материалы идут на изготовление прежде всего излучателей, а непрямозонные – на изготовление приемников и волноводов оптического излучения.
Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри запрещенной зоны могут создаваться дискретные энергетические уровни.
Примесные полупроводники характеризуются измененными энергетическими диаграммами и образуют разные виды проводимости электрического тока – электронную и дырочную (рисунок 1.13).
Наибольший интерес для изготовления источников и приемников оптического излучения представляет соединение разнородных примесных полупроводников и образующийся при этом переход между электронной и дырочной областями (рисунок 1.14).
Известно, что прибор, изготовленный из соединения p – n, представляет собой одностороннюю токопроводящую среду – диод. При прямом и обратном смещении p – n перехода за счет внешнего источника напряжения могут наблюдаться явления излучения фотонов при рекомбинации носителей зарядов и поглощения фотонов с образованием носителей зарядов (электронов и дырок).
Рисунок 1.13 Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов
В таблице 1.3 представлены характеристики некоторых материалов, применяемых для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов.
Таблица 1.3 Характеристики материалов
Материал |
Ge |
Si |
AlP |
AlAs |
AlSb |
GaP |
GaAs |
GaSb |
InP |
InAs |
Eg, ЭВ |
0.66 |
1.11 |
2.45 |
2.16 |
1.58 |
2.28 |
1.42 |
0.73 |
1.35 |
0.36 |
Λ, мкм |
1.88 |
1.15 |
0.52 |
0.57 |
0.75 |
0.55 |
0.87 |
1.7 |
0.92 |
3.5 |
Тип |
I |
I |
I |
I |
I |
I |
D |
D |
D |
D |
I – непрямозонный, D – прямозонный.
Необходимо отметить, что материалы могут иметь и более сложный состав элементов, например: InGaAs, GaAlAs, LiNdP4O12, InGaAsP и другие.
Для изготовления приборов применяют материалы с шириной запрещенной зоны, соответствующей диапазонам прозрачности стекловолокна (0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм) или оптическим диапазонам (таблица 1.1) и высокой квантовой эффективностью для источников излучения, низкой эффективностью для световодов. При этом предпочтение отдается материалам, пригодным для массового изготовления приборов и безопасных при работе с ними.
Рисунок 1.14 Энергетические состояния полупроводниковых приборов на основе p – n перехода