Опт устр в РТ / ВОЛС / 7_ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Характеристики полупроводниковых материалов

Собственные полупроводники (типа i) (intrinsic - собственный)

Полупроводник типа n

Содержит примеси пятивалентных атомов (доноры).

Электроны – основные носители, дырки – неосновные.

Дырочный ПП (типа p)

Содержит примеси трехвалентных атомов (акцепторы).

Дырки – основные носители, электроны – неосновные.

Разрешенные энергетические уровни

Разрешенные энергетические зоны.

Заполненная электронами разрешенная зона называется валентной зоной (ВЗ), а следующая за ней незаполненная зона называется зоной проводимости (ЗП). У ПП валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной (ЗЗ).

Спонтанное и стимулированное излучение.

Базовые материалы для изготовления источников являются: арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP, трех и четырехкомпонентные соединения на их основе – GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), GaInAsP (фосфид галлия индия и арсенида), InGaAs (арсенид индия и галлия).

Светоизлучающие диоды

Электролюминесценция – излучение света ПП под действием электрического поля.

Гетеропереход – переход, образованный между материалами со сходной кристаллической структурой, но обладающими разной шириной запрещенной зоны и показателями преломления.

Структура СИД

1. – пассивные слои

2. – активный слой

Диаграмма прямо смещенного перехода

Ef – дискретный уровень внутри запрещенной зоны за счет примеси

Распределение показателей преломления

При приложении прямого смещения наблюдается односторонняя инжекция электронов и дырок в активный слой. Высокая концентрация носителей в активном слое обеспечивается скачком потенциала Е на границе гетероперехода. В активном слое наблюдается рекомбинация носителей с выделением избыточной энергии в виде фотонов света с  = hc / Eg₂.

Конструкция поверхностного СИД

Торцевой СИД

В суперлюминесцентных диодах (СЛД) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное - вынужденное излучение – является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде.

Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт, ширина спектра - до 200 нм, а ширина диаграммы направленности (ширина пучка) - до 120°.

Потери мощности при переходе в линию составляют 10 дБ.

В суперлюминисцентных светодиодах происходит усиление спонтанного излучения за счет волноводного распространения вдоль р-n перехода. Пучок их излучения - уже, до 30°, а спектр - 20-80 нм. Эти диоды занимают промежуточное положение между обычными светодиодами и лазерными.

Реально используются при Р_изл>0.025 мВт, В<155 Мбит/с, в коротких ВОЛС с l = 15..20 км.

Лазерные диоды

Активная (лазерная) среда – инверсия населенностей N₂ > N₁.

В ПП она создается:

1. инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;

2. оптическим возбуждением.

Резонатор Фабри-Перо

L = (/2) q, где q = 1,2,…

Общая структура лазера

Конструкция ЛД Фабри-Перо (FP) с двойной гетероструктурой:

При изменении величины тока накачки в лазере происходит изменение спектрального состава, что при модуляции тока накачки информационным сигналом приводит к динамическому уширению спектра и перескоку максимальной мощности излучения с одних мод на другие.

В ВОСП чаще применяют одномодовые лазеры типа POC (DFB), в которых ПОС (положительная ОС) создается внутри лазера благодаря распределенной структуре под названием "гофр".

Структура лазера РОС

Резонатор образован между подложкой n+ InP и p+InGaAsP. Гофр представляет собой фазовую решетку (оптический фильтр) с очень высокой разрешающей способностью. В результате дифракции на решетке останутся только моды, длина волны которых кратна периоду решетки, так как для этих типов волн наблюдается синфазное сложение волн дифракции.

Отличительной особенностью РБО-лазеров (DBR) является то, что в них периодическая структура вынесена за пределы активной области (проще технологически). Одно зеркало – обычное, другое – решетка.

Достоинство – узкая ширина линии (селективные зеркала) и большой срок службы.

В последние годы в ВОСП стали применять «викселы» - ПП лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL – vertical-cavity surface-emitting lasers). В таких лазерах резонатор образован двумя объемными дифракционными решетками Брэгга и излучение генерируется в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, являющейся основанием гетеро- и квантоворазмерных слоев полупроводников.

Лазер с вертикальными резонаторами

Благодаря сверхкороткой длине резонатора, викселы генерируют на одной продольной моде, при этом диаметр выходного пучка лазера достигает 20-30 мкм, что позволяет осуществлять его эффективную фокусировку в одномодовое волокно.

Пороговый ток викселов крайне мал – до 2-5 мА, мощность излучения около 1 мВт. Приложением электрического поля в направлении оси резонатора в некоторых (консольных) вариантах VCSEL удается осуществлять плавную перестройку длины волны генерации в полосе длин волн 1530 – 1560 нм. Это создает возможность эффективного применения викселов в перспективных ВОСП со спектральным уплотнением (WDM и DWDM).

Наилучшие результаты – ЛД с внешним резонатором (перестройка до 40 нм, узкая линия и отсутствие скачков мод).

Характеристики источников излучения

Ватт - амперная характеристика (ВтАХ, ВАХ) – это зависимость мощности излучения от тока инжекции или накачки.

Ватт-амперная Ватт-амперная

характеристика СИД характеристика ЛД

По ВАХ можно определить линейный участок для модуляции ЛД.

Диаграмма направленности излучения

Для СИД в параллельной и перпендикулярной плоскости: _x,_y – 90^о-180^о, для ЛД: _х=20-30^о _y=30-60^о.

Спектральная характеристика - зависимость относительной мощности излучения от длины волны.

Спектральные характеристики источников

Быстродействие источника - определяет время преобразования электрического сигнала в оптический сигнал.

Время деградации определяется уменьшением излучаемой мощности в два раза при одном и том же токе накачки.

Соединение источника с волокном

На границе ПП – воздух условие полного внутреннего отражения

n_ПП ~ 3,5; n_В = 1,001; n_ВС ~ 1,5;

Доля излучаемой мощности

Эффективность вывода через воздух ~ 0,0262. Нужны линзы.

Согласование микролинзой

Согласование линзой на световоде

Согласование линзой на излучателе

Согласование градановой линзой

МОДУЛЯЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ

Прямая (непосредственная) модуляция

­I_н

Pизл

Pизл

Pmax

Pmin

Iсм

t

При изменении тока через диод меняется не только коэффициент усиления, но и показатель преломления p-n перехода. Чирпинг.

Прямая модуляция – до 2,5 Гбит/с до 200 км.

Для трасс большей длины – внешняя модуляция.

Схема оптического модулятора с ООС

Передающий оптический модуль (ПОМ): комбинация ЛД с системой АРМ, включающей датчики температуры и излучаемой мощности.

Составляющие элементы ПОМ

Внешний вид лазерных модулей

Промышленные образцы ПОМ

Тип модуля	ТСД	ПОМ-13	ПОМ-14	ПОМ-14М	ПОМ-14-2	ПОМ-17	ПОМ- 18	ПОМ-18-2	ПОМ-РБЗ- 22, 23
Р, мВт	0,05	1,5	1,5	3	1,5	3	1,5	1,5	3-5
Длина волны, нм	1300	1550	1300	850	1300	1300	1550	1550	1300, 1550
Ширина линии, нм	40	0,1	3	3	3	3	3	3	0,01
Пороговый ток, мА	-	40	30	20	30	30	30	30	50-70
Рабочий ток, мА	100	100	70	50	70	70	70	70	150
Рабочее напряжение, В	2	2	2	2	2	2	2	2	2
Фототок обр. связи, мкА	40	40	40	40	40	40	40	40	40
Напряжение фотодиода, В	5	5	5	5	5	5	5	5	5
Ток термохолодильника, мА	300	300	300	300	-	-	300	-	500
Напряжение термохоло дильника, В	3	3	3	3	-	-	3	-	4