Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ВОЛС-Федоров / ВОЛС _Юдин, 2005_

.pdf
Скачиваний:
65
Добавлен:
31.05.2015
Размер:
1.6 Mб
Скачать

А.В. Останков Ю.Г. Пастернак В.И. Юдин

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Учебное пособие

Ez(r,ϕ) Hz(r,ϕ)

ϕ

r

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

А.В. Останков Ю.Г. Пастернак В.И. Юдин

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2005

Воронеж 2005

УДК 621.391.63; 621.7.068; 621.372.8

А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак, В.И. Юдин. Волоконнооптические линии связи: Учеб. пособие / Под ред. В.И. Юдина. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005. 112 с.

Учебное пособие посвящено вопросам построения и принципам действия самых современных телекоммуникаций: волоконным линиям передачи оптических информационных сигналов. Изложены физические основы работы важнейших функциональных блоков волоконно-оптических линий связи: оптических передатчиков и приемников, модуляторов, детекторов, усилителей, регенераторов, световодов. Рассмотрены как аналоговые, так и цифровые варианты волоконно-оптичес- ких линий связи. Затронуты вопросы новейших достижений в области солитонных линий связи.

Пособие ориентировано на студентов радиотехнического факультета очной и очно-заочной (вечерней) форм обучения и имеет целью методическую поддержку учебных дисциплин «Волоконно-оптические линии связи» и «Оптические устройства в радиотехнике», входящих в учебную программу подготовки радиоинженеров по специальности «Радиотехника».

Табл. 8. Ил. 87. Библиогр: 8 назв.

Рецензенты: кафедра радиоэлектронных систем и устройств МГТУ им. Н.Э. Баумана; д-р физ.-мат. наук, профессор Ю.Б. Нечаев

©А.В. Останков, Ю.Г. Пастернак,

В.И. Юдин, 2005

©Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2005

ВВЕДЕНИЕ

C незапамятных времен для передачи сообщений (смысловых сигналов, информации) на значительные расстояния человек использует энергию физических полей двух видов: энергию звуковых и оптических волн, звук и свет. По сведениям, оставленным нам древнегреческим поэтом Эсхилом, более трех тысяч лет назад микенский царь Агамемнон сообщил своей жене Клитемнестре о взятии Трои с помощью эстафеты из девяти зажигаемых поочередно один за другим костров, разведенных на вершинах холмов, и перекрывших таким образом расстояние в 800 км. Возможно, это был первый пример атмосферной линии, в которой применялась цифровая оптическая связь.

Спустя три тысячелетия оптическая связь в атмосфере возродилась в виде световой телеграфной линии. Ее изобретателями в 90-х годах XVIII века были И.П. Кулибин (Россия) и К. Шапп (Франция), а через сотню лет после них А.Г. Белл (США). Все три изобретения относились к передаче информации в открытой воздушной среде в направлении, определяемом линией прямой видимости, соединяющей передающую и приемную аппаратуру.

Первое предложение о передаче информации с помощью светового пучка, распространяющегося в закрытом (защищенном от внешней атмосферы) канале, выдвинул и реализовал русский инженер В.Н. Чиколев (60-е годы XIX века). Свет от угольной дуги Яблочкова он направлял к месту его использования (в частности, для освещения пороховых погребов) с помощью полых металлических труб с зеркальной внутренней поверхностью стенок. Однако средой распространения света и здесь по-прежнему был воздух. Новое предложение – использовать для передачи оптического излучения струю воды – принадлежит английскому физику Дж. Тиндалю, продемонстрировавшему в 1870 г. зигзагообразное распространение светового пучка внутри криволинейной сплошной водяной среды, сыгравшей роль первого диэлектрического волновода – световода. Волновая теория цилиндрических диэлектрических волноводов круглого сечения была построена в начале ХХ века, но

3

только в середине последнего (1957 г.) в СССР впервые в мире были проведены исследования в области оптической связи по стеклянному волоконному световоду, которые, в частности, позволили выяснить причину значительного ослабления оптического излучения в стекле и указать пути повышения прозрачности стеклянных световодов. Еще раньше, до указанных исследований (1951 г.), А.Л. Микаэлян первым строго доказал, что наилучшее качество передачи сигналов по диэлектрическому волноводу обеспечивается при наличии градиента показателя преломления материала в поперечном сечении волновода. Используя эту идею, в 1964 г. в СССР был разработан принцип изготовления градиентных стеклянных световодов и целого ряда пассивных волоконно-оптических элементов на их основе.

В1966 г. англичане Као и Хокхэм опубликовали известную статью, в которой теоретически доказали возможность передачи по световоду информации на большие расстояния, при условии, что потери оптического излучения в стекле не будут превышать 20 дБ/км. Световоды, удовлетворяющие данному требованию, появились в США уже через четыре года. В том же 1970 году академик Ж.И. Алферов (СССР) создал первый полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой. Собственно идея создания лазера на основе активного полупроводникового вещества и ее теоретическое обоснование принадлежит группе советских физиков, возглавляемой академиком Н.Г. Басовым (1959 г.). В современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) типичный уровень потерь световодов составляет всего

0.2дБ/км, а лазер Алферова стал лучшим источником когерентного оптического излучения, применяемым в высококачественных ВОЛС во всем мире. В то время, когда разрабатывались полупроводниковые лазеры, одновременно группа Ж.И. Алферова создала и полупроводниковые фотоприемники.

Таким образом, в начале 70-х годов прошлого века все основные функциональные элементы ВОЛС (оптический передатчик, оптический кабель и оптический приемник) были реализованы.

Внастоящее время оптическая связь по стеклянным световодам постепенно занимает господствующее положение в

мировых телекоммуникационных сетях. На планете проложено свыше 24-х миллионов километров ВОЛС. Только в 2004 г. в мире произведено 114 млн. км световодов. В 2005 г. ожидается трехкратное увеличение этого объема. В системах межконтинентальной связи на их долю приходится более двух третей каналов (оставшаяся треть обеспечивается спутниковыми системами связи). В последние годы почти все вновь вводимые наземные и бортовые линии связи являются волоконно-оптически- ми. Примерами наиболее протяженных ВОЛС на планете является среди сухопутных российская Транссибирская оптическая линия (протяженностью 17000 км), среди подводных – магистраль АвстралияСеверная Америка (16000 км). Годовые темпы роста мирового рынка ВОЛС составляют 40%, что превосходит динамику развития других видов техники.

В чем причина «волоконного бума»? Очевидно, что в условиях жесткой конкуренции место на рынке могут завоевать только те новые технологии, которые бесспорно превосходят существующие по технико-экономическим и эксплутационным параметрам. В табл. 1.1 приведены для сравнения важнейшие характеристики оптических и коаксиальных кабельных линий (последние до недавнего времени являлись лучшими по критерию «качество - надежность (скрытность) - стоимость»).

Таблица 1.1 Сравнительная характеристика важнейших параметров оптических и коаксиальных кабельных линий связи

Технологический,

Коаксиальный

Оптическое

эксплутационный,

кабель

волокно

экономический параметр

 

 

Скорость передачи, бит/с

не более 5·108

до 1012

Число телефонных каналов

до 104

более 2·107

Затухание, дБ/км

15…20

типично – 0.2

 

 

в перспективе –

 

 

0.005

Длина участка регенера-

1…3

100…150

ции, км

 

в режиме солито-

 

 

нов более 1000

4

5

Продолжение таблицы 1.1

Энергозатраты на питание

большие

малые

регенераторов

 

 

Чувствительность к внешним

высокая

отсутствует

электромагнитным полям

 

 

Собственное излучение,

присутствует

отсутствует

перекрестная наводка

 

 

Включение активных (уси-

отсутствует

имеется

ливающих) участков кабеля

 

 

Солитонный режим пере-

отсутствует

имеется

дачи сигналов

 

 

Материал

медь

кремний (один из

 

(очень дефицит-

самых распростра-

 

ный материал)

ненных в природе)

Расход материала на 1 км

10

104

длины кабеля (световода), кг

 

 

Габариты и масса передаю-

большие

малые

щей и приемной аппаратуры

 

 

Опасность короткого замы-

существует

отсутствует

кания

 

 

Опасность возникновения

существует

отсутствует

искры

 

 

Стойкость к коррозии

низкая

высокая

Укладка кабеля

затруднена

простая

Подвеска кабеля к существу-

недопустима

возможна

ющимвысоковольтнымЛЭП

 

 

Потенциал развития

исчерпан

высокий

Перечень областей приме-

ограничен

очень широк

нения

 

 

Относительная стоимость

100

менее 5

канала, %

 

 

Как видно, оптический кабель превосходит медный по всем перечисленным параметрам, и, учитывая его далеко неисчерпанный потенциал, это превосходство, несомненно, будет с годами возрастать.

1. СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ВОЛС

На рис. 1.1 изображена структурная схема системы связи, использующей кабель для передачи сигналов.

Без специальных комментариев невозможно сказать, к какому диапазону волн (радиоили оптическому) относится приведенная схема, так как в структурном варианте изображения и для тех, и для других частот она выглядит одинаково. Чтобы подчеркнуть принадлежность схемы к оптическому диапазону, межблочные соединения на рис. 1.1, осуществляемые электрическими (радио-) сигналами, изображены одиночными стрелками; там, где передаются оптические сигналы, двойными стрелками. Существенные различия между радио- и оптическими кабельными системами связи обнаруживаются при раскрытии внутреннего устройства и физического принципа действия генератора, модулятора, детектора, регенератора, собственно кабеля и не указанных на рис. 1.1 многочисленных пассивных элементов.

В последующих главах излагаются физические основы принципа действия, устройство и технические характеристики функциональных блоков ВОЛС в порядке их расположения на изображенной выше структурной схеме при движении от передатчика к приемнику.

передатчик

источник

 

информации

 

 

 

генератор

модулятор

регенера-

тор

 

 

 

 

кабель

де-

детектор

регенера-

модулятор

тор

 

потребитель приемник информации

Рис. 1.1

6

7

2. ОПТИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАТЧИКИ ВОЛС

2.1. Источники оптического излучения для ВОЛС

В оптических системах связи (ОСС) информация (речь, музыка, подвижное изображение, любые другие данные) переносится, как и в радиолиниях, с помощью модулированного электромагнитного излучения (электромагнитных волн). Только в ОСС частота этих волн в сотни тысяч – миллионы раз превосходит радиочастоты. Всякая ВОЛС, если вдоль нее передвигаться от передатчика к приемнику, начинается с источника, вырабатывающего оптическое излучение. Два вида источников особенно широко применяются в ВОЛС: полупроводниковые лазеры (ППЛ) и светоизлучающие диоды (СИД).

Как устроен полупроводниковый лазер, из каких материалов он может быть изготовлен? ППЛ строится по схеме типичной для большинства лазеров (рис. 2.1). От источника 1 к рабочему веществу 2 (полупроводящей среде) подводится энергия накачки. Под действием последней рабочее вещество переводится в активное состояние, характерноетем, что всреде создается инверсная населенность носителей заряда на некотором переходе W2 W1, где W2, W1 энергии, соответствующие начальному и конечному состояниям квантового перехода (W2 > W1). Спонтанная излучательная рекомбинация заканчивается рождением некогерентных квантов ħω= W2 W1. При помещении активной среды в оптический резонатор, образованный зеркалами 3, спонтанное излучение приводит к вынужденным рекомбинационным переходам. Это произойдет тогда, когда направление движения спонтанно рожденногофото-

на случайно совпа-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дет с осью резонато-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ра. Если вынужден-

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

ные переходы, при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которых рождаются

3

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

кванты, будут про-

 

 

 

 

 

 

 

исходить чаще тех,

 

 

 

 

 

Рис. 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

после которых квант ħω погибает, то в оптическом резонаторе начнет генерироваться лазерное излучение, т.е. схема, изображенная на рис. 2.1, станет работать, как автогенератор оптических колебаний. Полезный результат описанного действия (выходной лазерный пучок 4) появится в том случае, когда усиление активной среды покроет суммарные потери оптического излучения в лазере, включая мощность пучка 4, выводимую за пределы резонатора.

2.2. Зонная структура полупроводниковых лазерных материалов

Не всякий полупроводниковый материал годится для использования в полупроводниковых лазерах и в светоизлучающих диодах. И хотя лазерный эффект получен в нескольких десятках полупроводящих сред, лучше других этой цели отвечают двойные, тройные и четверные соединения химических элементов, входящих в III-ю (Al, Ga, In) и V-ю (P, As, Sb)

группы таблицы Менделеева (соединения типа AIIIBV). Материалы, претендующие на роль рабочих сред в полупроводниковом лазере, должны быть прозрачными монокристаллами, чистыми (в смысле отсутствия содержания загрязняющих примесей), с малой вероятностью безызлучательной рекомбинации электрондырка (в сравнении с излучательной рекомбинацией). Помимо сказанного материал должен иметь однодолинную прямозонную структуру диаграммы «энергия-им- пульс», наподобие той, что изображена на рис. 2.2.

Прямые переходы (рис. 2.2,а), при которых электрон не изменяет начальный импульс, протекают с большой вероятностью. Непрямые переходы (рис. 2.2,б) запрещены, но, если уж они происходят, то с обязательным рождением фонона, чтобы уравнять начальный и конечный импульсы, участвующие в акте излучательной рекомбинации при переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону. Прямые переходы очень вероятны, но они могут пойти разными путями: по излучательному каналу (рождается оптический фотон) и по безызлу-

9

Рис. 2.3

энергия

 

 

энергия

зона

 

 

 

зона про-

прово-

 

 

 

водимос-

димо сти

 

 

 

ти

 

фотон

фонон

 

фотон

0

импульс

 

0

импульс

 

 

 

валентная

 

валентная

зона

 

 

зона

а

 

 

б

 

однодолинная структура

двухдолинная структура

с прямым переходом

с непрямым переходом

«зоназона»

«зоназона»

Рис. 2.2

чательному (энергия через генерацию фононов переходит в нагрев кристалла). Поэтому полная вероятность рекомбинации ξ, поскольку у электрона есть «право выбора» канала, равна

ξ= ξИЗЛ + ξБЕЗЫЗЛ

(2.1)

Чем больше первое слагаемое, тем легче достигается лазерный эффект в полупроводнике.

Указанные требования существенно сокращают список полупроводниковых материалов, пригодных для ППЛ. Тем не менее, они не исчерпывают перечень ограничений, накладываемых на рабочее вещество полупроводникового лазера. Пос-

ле выполнения вышеперечисленных

 

энергия

требований важнейшим, в конце кон-

 

цов, оказывается ограничение, связан-

 

 

ное с возможностью достижения ин-

 

 

версии населенности. Для однодолин-

 

электроны

ного прямозонного материала это озна-

 

импульс

чает следующее: можно ли в нем соз-

0

дать и поддерживать такое заселение

 

дырки

электронами энергетических состоя-

 

 

ний, какое показано на рис. 2.3.

В зависимости от того присутствуют или отсутствуют в полупроводниковом материале донорные и акцепторные примеси различают собственные и примесные полупроводники. В полупроводнике с собственным типом проводимости лазерная генерация недостижима. Для этой цели пригодны только примесные материалы, причем полупроводники вырожденного типа. В чем заключается их особенность?

На рис. 2.4 представлены зонные энергетические структуры, характерные для собственного полупроводника (рис. 2.4,а), примесного невырожденного (рис. 2.4,б,в) и примесного вырожденного (рис. 2.4,г). В примесном невырожденном полупроводнике энергетический уровень Ферми WФ смещен относительно середины запрещенной зоны 2, имеющей ширину WЗАПР, либо вниз (если внесена акцепторная примесь, рис. 2.4,б), либо вверх (если примесь носит донорный характер, рис. 2.4,в). Однако в обоих случаях энергия Ферми меньше WПР – энергии, соответствующей «дну» зоны проводимости 1, но больше WB – энергии, соответствующей «потолку» валентной зоны 3. Величина смещения уровня WФ с середины запрещенной зоны зави-

 

 

энергия

 

энергия

 

 

1

WПР

1

WПР

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

WЗАПР

 

WФ

WЗАПР

 

 

 

WВ

 

 

WФ

 

 

 

 

 

WВ

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

б

 

 

энергия

 

 

 

1

энергия

 

 

1

 

 

 

 

WФПР

 

 

WПР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

WПР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

WФ

WЗАПР

2

 

 

WЗАПР

 

 

 

 

 

 

 

 

WВ

 

 

 

 

WВ

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

WФВ

 

 

в

Рис. 2.4

г

 

 

 

 

 

 

10

11

сит от концентрации примеси, и, когда последняя превышает некоторое эффективное значение nЭФФ ~ 1019 см3, уровень Ферми смещается настолько сильно, что оказывается внутри зоны проводимости WФПР (при концентрации донорной приме-

си nДОН > 1019 см3), внутри валентной зоны WФВ (при концен-

трации акцепторной примеси nАКЦ > 1019 см3), или в той и в другой зонах, когда применено сильное легирование и доно-

ром, и акцептором (в этом случае уровень Ферми раздваивается на квазиуровни WФПР и WФВ, рис. 2.4,в). Поскольку электроны и дырки относятся к фермионам, распределение их по энергетическим состояниям подчиняется статистике ФермиДирака. Функция Ферми для электронов

F (W ) ={exp[(W W ) (k T )]+1}1

(2.2)

e

Ф

 

позволяет вычислить вероятность пребывания электрона в состоянии с энергией W, если кристалл полупроводника нагрет до температуры Т (k – постоянная Больцмана). На рис. 2.5,а показан характер распределения электронов по энергиям в соответствии с функцией Ферми в собственном полупроводнике. Состояния, заселенные электронами, выделены штриховкой. Видно (рис. 2.5,б), что инверсия электронов отсутствует и принципиально не может быть достигнута, вследствие чего генерация лазерного излучения неосуществима.

При вырождении в полупроводнике как электронного, так и дырочного газов из-за появления двух квазиуровней WФПР и WФВ распределение Ферми принимает другой вид (рис. 2.6,а). Налицо появление инверсии (рис. 2.6,б): электроны заполняют

 

Fe(W)

 

 

энергия (W)

1

 

 

WПР

 

 

 

 

WФ

0.5

 

 

W WB

0

 

 

импульс

WВ

 

WФ WПР

 

 

а

б

 

 

Рис. 2.5

 

 

 

 

«дно» зоны проводимости, но освобождают для дырок верхнюю часть валентной зоны. В результате каждого акта рекомбинации электрона, принадлежащего зоне проводимости, и дырки, находящейся в валентной зоне, одна электронно-ды- рочная пара исчезает, порождая фотон с энергией, величина которой заключена в интервале

 

 

(WПР WВ) < ħω< (WФПР WФВ).

 

(2.3)

 

Fe(W)

 

 

энергия (W)

1

 

 

ħω

WПР

WФПР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.5

 

 

 

WФ

 

0

 

 

W

WB

WФB

WФВ

WВ WПР WФПР

 

 

б

 

 

 

а

Рис. 2.6

 

 

 

 

 

 

Таким образом, монокристалл вырожденного полупроводника с однодолинной зонной структурой и прямыми электронными переходами подходит в качестве рабочей среды ППЛ.

Учитывая малую разницу энергий (WФПР WПР) и (WВ WФВ), лазер, изготовленный из такого монокристалла, способен гене-

рировать когерентное оптическое излучение, заключенное в узкой частотной полосе

∆ω=[(WB +WФПР)(WПР +WФВ)] h

(2.4)

вблизи частоты (рис. 2.7)

ω~WЗАПР h.

(2.5)

∆ω

ω

W

WФПР WФВ

ЗАПР

 

hh

Рис. 2.7.

Длина волны света, излучаемого полупроводниковым лазером, обычно оценивается по простой формуле, вытекающей из (2.5):

λ=1.239WЗАПР, (2.6)

12

13

где численные значения ширины запрещенной зоны подстав-

ляется в электрон-вольтах, а вычисляемая длина волны полу-

чается в микрометрах.

 

 

 

Практически инверсия населенности в ППЛ достигается

в результате действия накачки: приложения к p-n-переходу

электрического напряжения и пропускания через него в пря-

мом направлении постоянного электрического тока. Это воз-

можно благодаря наличию проводимости у полупроводнико-

вых материалов. Среди применяемых в лазерной технике ме-

тодов накачки тот, что используется в ППЛ, один из самых

простых. Обычно его называют методом инжекции носителей

электрического заряда в область p-n-перехода, а сами лазеры –

инжекционными полупроводниковыми. Пространственно ак-

тивная зона

полупро-

 

uВНЕШ = 0

водникового кристалла

 

формируется

вблизи

p

 

ширина

областей p-n-перехода,

W ПР

 

p-n-перехода

включая его в себя.

W pВ

 

W nФПР

Конфигурация

энерге-

W pФВ

 

тических

границ

зон

 

 

W nПР

проводимости

и

ва-

 

 

n

лентной, а также уров-

 

 

W В

ни Ферми в вырожден-

 

p-область

n-область

ном полупроводнике до

 

 

а

накачки (внешнее пос-

 

uВНЕШ 0

тоянное

электрическое

 

 

ширина

 

напряжение

отсутству-

 

 

p-n-перехода

n

ет) и при ее включении

W pПР

 

W nФПР

(прямое

внешнее

элек-

p

WФПР

W ПР

трическое

напряжение

WФВ

W pВ

 

 

W nВ

не равно нулю) показа-

W ФВ

 

область ин-

ны на рис. 2.8.

 

 

 

 

Толщина

актив-

 

 

версииАКТ

ной области АКТ ко-

 

p-область

n-область

леблется от 0.8 - 1.0 мкм

 

 

б

до нескольких микрон.

 

Рис. 2.8

 

 

 

 

 

14

 

 

Реальная конструкция ППЛ выглядит просто (рис. 2.9). Из монокристалла АIIIBV с проводимостью n-типа (что достигается введением донорных примесей из веществ VI-й группы таблицы Менделеева) вырезается образец 1, имеющий размеры (при-

мерно) 80×100×100 мкм. Со стороны одной из граней образец

3

 

 

 

легируется акцепторной

 

 

1

примесью (путем, напри-

p-n-переход

 

 

 

 

мер, диффузии веществ из

 

 

 

 

 

p

II-й группы таблицы Мен-

 

 

n

 

делеева). Между n- и p-об-

2ластями возникает тонкий слой p-n-перехода. Обра-

зец припаивается n-гранью Рис. 2.9 к теплоотводящей алмазной или сапфировой под-

ложке 2, а к p-грани припаивается токоподводящая клемма 3 для подключения источника энергии накачки.

Две противоположные боковые грани образца, ориентированные перпендикулярно направлению, в котором желательно сформировать выходной лазерный пучок, скалываются. Благодаря этому поверхности граней приобретают высокое оптическое качество и выполняют функции зеркал оптического (лазерного) резонатора. Коэффициент отражения Френеля на границе раздела сред полупроводниквоздух равен 0.3...0.4, так что с учетом высокого квантового усиления активной среды требования баланса амплитуд, необходимое для автогенерации, выполняется без труда. Две другие боковые грани умышленно скашиваются, чтобы предотвратить генерацию в ортогональном направлении. Поскольку активный слой ППЛ имеет вид тонкой широкой пластины (рис. 2.10), диаграмма направленности излучения имеет лопатообразную форму с уг-

лами расходимости α×β≈(2...5)o ×(20...50)o .

Из соединений АIIIBV наиболее часто применяются GaAs и InP. При легировании для придания исходному материалу проводимости нужного типа в качестве акцепторов используют элементы II-й группы периодической таблицы Менделеева

15

(Zn, Cd), а в качестве доноров – элементы IV-й группы (Se, Te). Полупроводниковые лазеры на двойных соединениях применя-

лись лишь в первых ВОЛС. В

 

настоящее время они почти пол-

α β

 

АКТ1 мкм

 

Рис. 2.10

ностью вытеснены лазерами, в которых используется тройные и четверные соединения. Причина – серьезные недостатки принципиального характера, присущие первым полупроводниковым лазерам. Важнейшие из них заключаются в следующем. Во-первых, из-за малости толщины ∆АКТ активной области и высокой (до 107 м/с) скорости движения в ней инжектируемых носителей заряда время пребывания электронов и дырок в тонком активном слое очень мало, поэтому и вероятность их рекомбинации, заканчивающейся излучением фотонов, так же низка (рис. 2.11,а). Во-вторых, даже в тех нечастых случаях, когда акт излучательной рекомбинации все же происходит, маловероятно, чтобы спонтанно родившийся фотон вызвал лавинный эффект генерации индуцированного излучения по причине того, что все три области ППЛ (p-, n-, p-n) принадлежат одному кристаллу (отсюда название – гомоструктура, гомолазер), а значит имеют одинаковый показатель преломления. Т.е. оптическая граница между названными областями полупроводникового материала отсутствует (рис. 2.11,в), и спонтанный квант легко покидает активную зону, не испытывая отражения от границ с прилегающими p- или n-областями (рис. 2.11,б) поскольку в оптическом смысле этих границ не существует.

16

 

 

 

 

p

 

n

а

p

p-n

n

б

 

ħω

 

 

 

 

ħω

p-n

 

 

 

z

 

 

z

 

 

 

 

 

показатель

 

 

 

 

 

преломления

 

 

Рис. 2.11

 

в

 

z

 

 

 

 

 

 

Обе причины приводят к тому, что монокристаллический полупроводниковый лазер нуждается в очень высоком уровне накачки для достижения инверсии населенностей, обеспечивающей порог генерации индуцированного излучения. Пороговая плотность тока инжекции в гомолазере составляет от нескольких сотен ампер до килоампера на 1 мм2 сечения активной области и только при глубоком охлаждении ППЛ (до температуры жидкого азота) падает на 1.5…2 порядка. В результате срок службы гомолазера для комнатной температуры окружающего воздуха изменяется минутами.

2.3. Светоизлучающие диоды и их параметры

Светоизлучающий диод (СИД) в простейшем случае представляет полупроводниковый диод с p-n-гомопереходом. Излучаемый им свет является следствием излучательной рекомбинации электронов и дырок в активном p-n-слое полупроводникового материала. Генерируемое СИД излучение некогерентно, т.к. его фотоны рождаются спонтанно. Три преимущества по сравнению с полупроводниковым лазером привлекают к СИД внимание разработчиков ВОЛС: низкая стоимость, значительный ресурс работы и ненужность термостабилизации. Конструкция СИД бывает двух типов: с торцевым выводом излучения и с излучающей поверхностью (рис. 2.12 – СИД в поперечном разрезе).

Диаграмма направленности СИД первого типа обычно имеет угловую ширину порядка 30°, тогда как для СИД второго

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

б

СИД с торцевым

 

 

 

СИД с излучающей

 

излучением

Рис. 2.12

 

 

 

поверхностью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

типа – много больше (порядка 120°). Поэтому в оптическое волокно СИД с излучающей поверхностью вводит очень малую часть мощности выходного излучения – около 1%. В этом отношении диод с торцевым выводом имеет преимущества.

Мощность СИД невелика – 10…100 мкВт. Спонтанная природа излучения приводит к большой ширине спектра излучения (∆λ= 30…80 нм). Излучение столь низкого качества не может обеспечить высокоскоростную передачу сигналов по световоду. Поэтому СИД применяются в ВОЛС с битовыми скоростями не более 150 Мбит/с. Диапазон длин волн, который они излучают, отвечает используемым в ВОЛС "окнам": 0.8…0.9 мкм и 1.2…1.7 мкм (включая λ= 1.31 мкм и 1.55 мкм).

Структура коротковолновых СИД определяется тройной системой AlGaAs/GaAs, в длинноволновом диоде применяются четверные соединения GaInAsP.

Чтобы ослабить недостаток, связанный с широкоугольной диаграммой излучения, применяют фокусирующие элементы, позволяющие увеличить долю оптической мощности, вводимой в световод (рис. 2.13 – устройства ввода оптической мощности в световод). Если принять равной единице эту долю

СИД

СИД

СИД

СИД

световод

световод

световод

световод

а

б

в

г

 

Рис. 2.13

 

 

 

18

 

 

для схемы соединения, изображенной на рис. 2.13,а, то установка сферической линзы на торце световода (рис. 2.13,б) увеличивает вводимую мощность в 3..5 раз, линза на диоде (рис. 2.13,в) – в 10…20 раз, а линзы на торце световода и на поверхности СИД (рис. 2.13,г) – в 100…200 раз.

Типичные для СИД с торцевым выводом излучения технические параметры сведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Основные параметры СИД с торцевым выводом излучения

Параметр

Значение

Выходная мощность, излучаемая в одномодо-

2…100

вое волокно при 25°С, мкВт

 

Числовая апертура

0.1…0.6

Время нарастания/спада импульса, нс

3

Ширина спектра излучения по уровню поло-

30…80

винной мощности, нм

 

Температурный коэффициент мощности, %/°С

1.2

Изменение центральной длины волны с тем-

0.5…0.8

пературой, нм/°С

 

Спектральное температурное уширение, нм/°С

0.4

2.4. Полупроводниковые лазеры

2.4.1. Лазеры с двойным гетеропереходом

В 1968…1970 гг. под руководством академика Ж.И. Алферова в СССР созданы одинарные и двойные полупроводниковые гетероструктуры, в которых полностью решена проблема вынужденной сверхнакачки в гомолазере. Идея заключалась в следующем. Если в GaAs по обе стороны от p-n-перехо- да часть (х) атомов Ga заменить Al, имеющим одинаковую с Ga постоянную кристаллической решетки, но разные физические свойства (ширину запрещенной зоны, диэлектрическую проницаемость, показатель преломления и др.), то тройная структура AlХGa1ХAs с двойным гетеропереходом (по обе стороны

19