ВОЛС-Федоров / ВОЛС _Юдин, 2005_

от активного p-n-слоя), разрез которой изображен на рис. 2.14,а, будет иметь следующую зонную структуру (рис. 2.14,б) и профиль показателя преломления (рис. 2.14,в):

	подложка GaAs	металл	WФПР	W'ЗАПР	z
					n'
1мкм	Al0.3Ga0.7As(n)
0.1-0.3	GaAs(n)	активная	WЗАПР		n
мкм	Al0.3Ga0.7As(p)	область
1мкм					n'
1мкм	GaAs(p)		W'ЗАПР WФВ
		окисел
		слой		W	n
	медныйтеплоотвод	металла
		припой		б	в
	а

Рис. 2.14

Введение алюминия приводит к увеличению ширины запрещенной зоны в областях кристалла, прилегающих к актив-

ному слою (W'ЗАПР > WЗАПР), и снижению показателя преломления (n' < n). Поэтому возникшие на границах активной зоны по-

тенциальные барьеры оказываются непреодолимым препятствием для электронов, инжектируемых из n-областей через активный слой в p-область, равно как и для дырок, инжектируемых в обратном направлении (рис. 2.15,а). Время пребывания носителей заряда в активном слое вследствие этого увеличивается, отчего растет скорость актов излучательной рекомбинации, причем появляющиеся фотоны не покидают активную область, ко-

W	n-область	WФПР	n-область
активная
область
	p-область WФВ		p-область

а б

Рис. 2.15

торая теперь играет роль оптического световода, так как n > n' (рис. 2.15,б). В итоге плотность порогового тока накачки существенно снижается (IПОР ~ 5…12 А/мм2), и гетеролазер приобретает способность непрерывно генерировать индуцированное излучение при комнатной температуре.

Отдельные технические характеристики наиболее широко применяемых полупроводниковых лазеров с двойной гетероструктурой приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Характеристики ППЛ с двойной гетероструктурой

	Материал	Длина вол-	Рабочая	Пороговая	Режим
		ны излуче-	темпера-	плотность тока	излуче-
		ния, мкм	тура, °К	накачки, А/мм2	ния
	GaAs	0.89		−	непре-
	(Al,Ga)As	0.85		7.0
			300		рыв-
		1.30		0.5
	(Ga,In)(As,P)				ный
		1.50		1.2

Полупроводниковые лазеры относятся к источникам когерентного излучения. В ППЛ с двойной гетероструктурой, активная область которого выполняет функцию оптического волновода, выходное излучение выводится, как правило, через торцевую поверхность. Когерентный в ППЛ характер излучения находит отражение в расходимости выходного пучка света (рис. 2.16) и в характерной ширине спектра его выходного излучения (рис. 2.17). Для лазера типична узкая диаграмма направленности и малая ширина спектра излучения.

	1	выходная мощность
ППЛ		∆λСИД

		∆λППЛ
	СИД	длина
		волны

Рис. 2.16

Рис. 2.17

20

21

Рис. 2.19

IПОР

ток

накачки

выходная мощность ППЛ

СИД

СИД

ППЛ оболочка Источник сердцевина излучения

Рис. 2.18

Узкая диаграмма направленности обеспечивает облегченное сопряжениеполупроводниковоголазерасо световодом (рис. 2.18), что, как будет показано ниже, положительно влияет на ослабление дисперсионного размывания оптических импульсных сигналов, а, следовательно, позволяет по сравнению с СИД повысить дальность и скорость передачи информации по воло- конно-оптической линии.

Типичные мощностные характеристики ППЛ и СИД в зависимости от силы тока накачки приведены на рис. 2.19.

Генерация индуцированного излучения в лазере носит пороговый характер: быстрое, почти пропорциональное току накачки нарастание выходной мощности имеет место в запороговой области (IНАК > IПОР). Здесь преимущество ППЛ перед СИД по мощности пучка многократно. Но в допороговом режиме (IНАК < IПОР) мощность светоизлучающего диода, особенно с торцевым выводом, значительно больше, чем полупроводникового лазера.

Рабочая длина волны полупроводниковых источников зависит от ширины запрещенной зоны материала (формула (2.6)). Последняя может изменяться почти в двукратном диапазоне, так что длина волны излучения может быть выбрана любой в интервале от 0.8 до 1.7 мкм.

Формулы для расчета WЗАПР в зависимости от химического

состава полупроводникового материала приведены в табл. 2.3. Длина волны когерентного из- лучения ППЛ вычисляется по 0 формуле (2.6).

Таблица 2.3 Соотношения для оценки WЗАПР полупроводников

Состав материала	Ширина запрещенной зоны,
(твердый раствор)	WЗАПР, эВ
AlХ Ga1-ХAs	1.424 + 1.266 х+ 0.260 х2
In1-XGaXAs	0.360 + 0.629 х+ 0.436 х2
InAsYP1-Y	1.350 −1.170 y + 0.180 y2
In1-XGaXP	1.350 + 0.668 х+ 0.758 х2
GaAsYP1-Y	2.770 −1.560 y + 0.210 y2
In1-XGaXAsYP1-Y	1.350 + 0.668 х−1.170 y + 0.180 y2 −
	−0.069 xy −0.322 x2y + 0.030 xy2 + 0.758 х2
AlХ Ga1-ХAs1-YSbY	1.430 −1.900 х+ 1.042 y + 0.468 y2 +
	+ 1.000 xy −0.900 x2y −0.100 xy2 + 1.200 х2

В табл. 2.4 приведены характеристики двойных соединений класса АIIIBV, широко применяемых в источниках оптического излучения для ВОЛС. Для практики наибольший интерес имеют полупроводниковые структуры, способные генерировать свет при комнатной температуре (табл. 2.5).

2.4.2. Многомодовые и одномодовые гетеролазеры

Если торцевые грани полупроводникового лазера плоские (рис. 2.9) и параллельны одна другой, они играют роль оптического резонатора Фабри-Перо, в котором при длине ℓ активного слоя, равной нескольким сотням микрометров (рис. 2.9), одновременно может резонировать большое число продольных мод, разнесенных друг от друга на частотный интервал

	∆ω=	c	,	(2.7)
		2n l

где n ≈3.5 – показатель преломления полупроводникового материала, с – скорость света. Число продольных резонансов оптического резонатора, попадающихв полосу усиления активной

22

23

24

25

Таблица 2.4 Характеристики двойных соединений АIIIBV, используемых в источниках для ВОЛС

													Характеристика																														Соединения
																																								AlAs	AlSb	GaP	GaAs	GaSb	InP	InAs	InSb
	Температура плавления, °С																																							1600	1065	1467	1238	712	1058	942	536
	Теплопроводность, Вт/см К																																							0.91	0.57	0.77	0.44	0.33	0.68	0.27	0.17
	Период решетки, нм																																							566.0	613.6	545.1	565.3	609.6	586.9	605.9	647.9
	Ширина запрещенной зоны																																							2.231	1.677	2.330	1.507	0.797	1.412	0.410	0.228
	при 77 К, эВ
	при 300 К, эВ																																							2.163	1.580	2.240	1.424	0.726	1.351	0.360	0.172
	Показатель преломления																																							3.178	−	3.452	3.655	3.820	3.450	3.520	4.000
	Эффективная масса																																							0.150	0.120	0.340	0.071	0.047	0.077	0.026	0.013
	Тип абсолютного минимума																																							непре-	непре-	непре-	преры-	преры-	преры-	преры-	преры-
	зоны проводимости																																							рывн.	рывн.	рывн.	вист.	вист.	вист.	вист.	вист.
																																								−	−4.0	−5.4	−5.0	−4.1	−4.6	−3.3	−2.9
	Диэлектрическая проницае-																																							12.0	11.0	11.1	13.1	15.7	12.4	12.5	18.0
	мость (статическая)
	Подвижность носителей тока
	при 300 К, см2/(В с)																																							1000	50	190	8500	4000	4600	30000	76000
	электронов
	дырок																																							100	4000	150	400	1400	150	240	5000

					Таблица 2.5
	Полупроводниковые лазерные структуры, способные работать при Т= 300 К
		Структура слоя		Длина волны	Пороговая
				излучения λ,	плотность тока
	активного	эмиттерных	подложки
				мкм	IПОР, кА/см2
	In0.49Ga0.48Al0.03P	In0.49Ga0.31Al0.2P	GaAs	0.66	3.20
	GaP0.25As0.75	Al0.45Ga0.55P0.25As0.75	GaP0.25As0.75	0.74	−
	GaAs	Al0.3Ga0.7As	GaAs	0.82	0.07
	Al0.04Ga0.96As	Al0.4Ga0.6As	GaAs	0.85	1.20
	GaAs	Ga0.505In0.495P	GaAs	0.88…0.89	−
	GaAs0.92Sb0.08	Al0.2Ga0.8As0.92Sb0.08	GaAs0.92Sb0.08	0.95	−
	GaAs0.88Sb0.12	Al0.4Ga0.6As0.88Sb0.12	GaAs	1.00…1.06	2.10
	In0.13Ga0.87As	In0.65Ga0.35P	GaAs	1.02…1.15	−
	GaP0.3As0.7	Ga0.66In0.34P	GaPXAs1-X	0.70	3.40
	InxGa1-XAsYSb1-Y	AlNGa1-NAsVSb1-V	GaSb	1.08	2.50
	In0.3Ga0.7As0.4P0.6	In0.5Ga0.5P	InP	0.70	−
	Ga0.39Al0.08In0.53As	InP	InP	1.50	3.20
	Ga0.47In0.53As	Al0.48In0.52As	InP	1.50	2.40
	Ga0.45In0.55As0.97P0.03	InP	InP	1.62	3.20
	Ga0.47In0.53As	InP	InP	1.70	6.00

среды, определяется отношением
m	=	(WФПР −WФВ)−(WПР −WВ)	.	(2.8)
Р		h ∆ω

Количество генерируемых продольных мод mМ меньше mР, так как индуцированное излучение происходит только на тех резонансных частотах, на которых квантовое усиление в p-n-активном слое превышает суммарные потери оптического резонатора. Тогда в выходном пучке такого многомодового лазера присутствует излучение на нескольких (примерно от 3-х до 10-ти) частотах одновременно. Частотный интервал (2.7) между соседними модами составляет примерно 1 ТГц. При модуляции лазера синхронно модулируются все моды. Следовательно, каждая из них переносит одну и ту же информацию.

Выходная мощность лазера распределяется между всеми генерируемыми модами неравномерно: бóльшая мощность приходится на среднюю моду в наборе (рис. 2.20). Модам, отстоящим от средней вверх и вниз по частоте, соответствует меньшая мощность, плавно спадающая по мере удаления от середины набора. На рис. 2.20 заштрихованные площади (превышение усиления над потерями) пропорциональны мощности конкретной моды. За счет взаимодействия между собой моды обмениваются энергией, и, хотя суммарная их мощность может сохраняться, энергообмен приводит к шумам на выходе и в высокоскоростных ВОЛС с малыми потерями − к необходимости сокращать расстояние между соседними регенераторами. Если же в ВОЛС имеются отражения, межмодовое перераспределение мощности еще более понижает потенциал сис-

темы связи, поскольку пе-		мощность
рекачка энергии из цент-
	контур		средняя
ральной моды в боковые
увеличивает эффективную	усиления		мода
			уровень
ширину спектра излуче-
ния и уменьшает важный			потерь
комплексный параметр
ВОЛС: произведение ско-		Рис. 2.20	частота

рости передачи информации на длину линии связи (точнее – на протяженность ВОЛС между соседними регенераторами).

В одномодовых лазерах генерация происходит практически на одной продольной моде. Мощность, переносимая иными продольными модами, кроме средней, ничтожно мала: менее 0.009 от полной мощности излучения. Одномодовость достигается дискриминацией боковых мод путем обеспечения для них оптических потерь гораздо более высоких, чем для сред-

	мощность		ней моды (рис. 2.21).
			С помощью модули-
контур		средняя	рованного	излучения	од-
усиления		мода	номодового лазера инфор-
		уровень	мация по	ВОЛС может
		потерь	передаваться с бóльшей
			скоростью, на более про-
	Рис. 2.21	частота	тяженное	расстояние,	с
			повышенным качеством.

2.4.3. Лазеры с распределенной обратной связью

В лазерах, описанных выше, положительная обратная связь по оптическому полю организуется отражением оптического излучения, генерируемого в активном слое, от передней и задней торцевых граней (рис. 2.9), т.е. место отражения излучения локализовано (совпадает с плоскостью зеркал – торцевых граней). Доказано, что качество выходящего из лазера излучения (оно в первую очередь определяется малостью ширины спектра выходного излучения) удается существенно повысить, если сосредоточенное отражение заменить распределенным (растянутым по оси оптического резонатора). Это достигается заменой торцевых зеркал периодическими структурами, занимающими концевые участки или всю длину активного слоя (рис. 2.22). В первом случае (рис. 2.22,а) структура называется РБО-лазером, во втором (рис. 2.22,б) – РОС-лазером.

Периодическая структура представляет собой гофрированную поверхность световода (p-n-слоя), на которой оптичес-

26

27

Рис. 2.24

РБО-слои p-типа

активный

слой

РБО-слои n-типа

изолирующие слои

излучаемый

пучок

РБО	РБО	РОС
	p-тип	p-тип	Λ
	n-тип	n-тип
	а	б
РБО – распределенный		РОС – распределенная
брэгговский отражатель		обратная связь
		Рис. 2.22

кие волны испытывают дифракцию, что приводит к их когерентному отражению. Периодическая неоднородность выполняется в виде изменения толщины p-n-слоя. При выполнении условия Брэгга –

	Λ=		m λ	(2.9)
		2	n
			ЭФФ

(где Λ – период структуры, m – порядок дифракции, nЭФФ – эффективное значение показателя преломления гофрированного участка световода) – периодическая структура играет роль частотно-селективного зеркала и позволяет добиться одночастотной генерации излучения.

Распределенные отражающие структуры ослабляют зависимость длины волны генерируемого излучения от температуры и, что особенно важно, более чем на порядок улучшают

	спектральные характеристики
	РБО- и РОС-лазеров: спект-	интенсивность
	ральная ширина индуцирован-
		1
	ного излучения лазера ∆λППЛ
	(рис. 2.17) снижается до значе-	2
	ния 0.1 нм. При комбинирова-	3	длина
	нии РОС-структуры со струк-		волны
		1 – ∆λППЛ 3нм: лазер с резона-
	турой, имеющей множествен-
		тором Фабри-Петро;
	ные квантовые ямы, рекордно	2 – ∆λППЛ 0.1нм: РОС-лазер;
	малая ширина ∆λППЛ оценива-	3 – ∆λППЛ 10−6нм: РОС-лазер+
	ется миллионными долями на-	структура с квантовыми ямами
	нометра (рис. 2.23).	Рис. 2.23
	28

2.4.4. Лазер с вертикальным оптическим резонатором

Как и в СИД, индуцированное излучение полупроводникового лазера может выводиться из активного p-n-слоя не только через торец, но и через боковую поверхность. Устройство подобного лазера показано на рис. 2.24.

В таком лазере база оптического резонатора (расстояние между отражающими плоскостями − зеркалами) равна толщине активного слоя, т.е. порядка одного микрометра. Тогда в соответствии с (2.7) соседние продольные моды будут разнесены по шкале частот друг от друга примерно на 1014 Гц. Т.е. в полосу квантового усиления активной среды может попасть не более

одной моды. Понятно, что выходная мощность лазера с вертикальным оптическим резонатором не может быть большой, но зато по сравнению с обычным лазером

его выходной пучок имеет очень

важное достоинство: он круглый в поперечном сечении, тогда как в лазере с торцевым выводом се-

чение пучка излучения имеет эллиптическую форму. Круглый пучок с бóльшей эффективностью можно ввести в световод.

2.4.5. Параметры лазерных излучателей

Из большого числа параметров источников индуцированного излучения перечислим важнейшие.

Внутренняя квантовая эффективность:

ηВНТР =	1	=	ξИЗЛ	,	(2.10)
	1+τИЗЛ /τБ.ИЗЛ		ξИЗЛ +ξБЕЗЫЗЛ

где τИЗЛ – характерное время излучательной рекомбинации; τБЕЗЫЗЛ – то же для безызлучательной рекомбинации;

29

ξИЗЛ, ξБЕЗЫЗЛ – соответственно вероятность рекомбинации излучательной и безызлучательной.

Внешняя квантовая эффективность является одной из энергетических характеристик лазера:

ηВНШ =nЭМИТ nИНЖ ,

(2.11)

где nЭМИТ – число эмиттированных за единицу времени квантов; nИНЖ – количество инжектированных квантов за то же время.

Апертурный коэффициент определяет часть мощности оптического излучения, выходящую из лазера

А=ηВНШ ηВНТР.

(2.12)

Величина А всегда меньше единицы и составляет для СИД

0.01…0.06, а для лазера− 0.2…0.4.

Ширина спектральной полосы излучения означает диапазон длин волн ∆λ, симметричный относительно центральной длины волны, на краях которого уровень излучаемой мощности снижается до половины максимального. Для СИД харак-

терна ∆λСИД = 20…300 нм, для лазеров – ∆λППЛ = 1…2 нм. Спектральная характеристика излучения показывает за-

висимость выходной мощности от длины волны в пределах спектральной полосы усиления. Для многомодового и одномодового режимов излучения спектральные характеристики GaAs-лазера имеют вид, приведенный на рис. 2.25,а и б соответственно.

Среди лазеров с плоской геометрией активного слоя распространены два типа структуры: лазер с «волноводным уси-

мощность

мощность

820 822 824 826 828 830 λ,нм	839 841 843	λ,нм
а	б
Рис. 2.25

лением» (gain-guided) и лазеры с «волноводным каналом» (in-
dex-guided). В лазерах первого типа поток индуцированного из-
лучения концентрируется в области с максимальной инверсией
населенности и локализуется в полосе активного слоя шири-
ной до w = 10 мкм (рис. 2.26).
	В зависимости от размера w и мощности накачки гене-
рируются различные моды излучения. На рис. 2.27,а показано
перекрытие активной зоны ППЛ лазерным пучком, а на
рис. 2.27,б – распределение в поперечном сечении пучка плот-
ности оптического излучения для моды Т00.
	w	z	z
d	d	y	d
	активный слой	w
		а	б
	Рис. 2.26
		Рис. 2.27

С увеличением ширины активного слоя w при постоянной мощности накачки генерируются моды более высоких порядков (рис. 2.28,а – в ближней зоне, рис. 2.28,б – в дальней зоне).

Ватт-амперная характеристика (ВАХ) показывает зависимость мощности оптического излучения от величины тока

w = 10 мкм	y	y
20	y	y
30	y	y
50	y	y
	а	б

Рис. 2.28

30

31

накачки. Типичные ВАХ лазера GaAlAs/GaAs c шириной канала w = 10 мкм имеют вид, показанный на рис. 2.29.

РИЗЛ,мВт				РИЗЛ,мВт
15				6			0°С		15		30		45
10				4
5				2
0 20 40 60 80 IНАК,мА													160 IНАК,мА
				0			40		80		120
		а							б
структура с волноводным						структура сканальным
		усилением						волноводом

Рис. 2.29

Модуляционная характеристика показывает быстроту отклика источника излучения на внешнее воздействие и определяет максимально достижимую частоту внутренней модуляции генерируемого источником оптического излучения. Обычно она составляет несколько гигагерц.

Способность лазера или СИД реагировать на внутреннюю модуляцию непосредственно связана с их частотными характеристиками. В большинстве полупроводниковых лазеров глубина модуляции резонансным образом зависит от частоты (рис. 2.30). Резонансное возрастание мощности излучения при разных значениях тока инжекции наблюдается в диа-

	пазоне частот от 0.2 ГГц до
	2 ГГц и вызвано энергооб-			РИЗЛ(f)/РИЗЛ(0)
	меном между избыточными	3
	носителями заряда и опти-			рост	IНАК				IНАК	= const
	ческим полем резонатора.	2
	Основные параметры
	лазерных источников опти-	1
	ческого излучения для
	ВОЛС, выпускаемых зару-	0
				0.2 0.4 0.6				0.8 fМОД,ГГц
	бежными фирмами, приве-
	дены в табл. 2.6.				Рис. 2.30

Таблица2.6 полупроводниковыхзарубежныхлазеров

службы

6

10

105>

10

нет сведений

10>

сведнет30. − нет свед.

10>

10

10>

нет сведений

10>

,

0.130 AlGaAs 15 10

25

4

0.1530

одномод.сведнет75.

1<80сведнет. 3 1100

115

100

одномо-

1<20

120

0.530

Порого

накачки

10

Срок

ч

5

5

5

5

5

5

5

-

мВт

мощ

-

,

Выход

ность

5

3

5

5 <

40

3

8

5

10

5

10

5 >

ная

- -

InGaAsP

AlGaAs

InGaAsP

AlGaAs

InGaAsP

AlGaAs

InGaAsP

ал Матери структу

ры

тип и

Модовый

излуче

одномодовый

мноодно/ - гомодовый

одномодовый

многомод.

довый

многомод.

одномодовый

-

состав

ния

из-

лучения, нс

нарастания

нет сведений

0.5

0.5

нетсвед.

Время

импульса

- ,

выйток

мА

характеристики

Длина

ния

0.83< 5

30.1 5

82.0

сведений 0.83

0.901 0.82

1.30

0.83

0.85

1.90

0.832

1.301

Ширина

нет

1…2

1.5

1

спектра -излуче нм,ния

волны

мкм,

-

излуче

Технические

Тип излучателя, марка, фирма-производитель

ML-3000 «Mitsubishi Electronics»

ML-7601 −"−

LDS3-OMF «Optel Corpor.»

LDM3-H/ LDS3-H −"−

С86014E «RCA»

C86040E −"−

C86030E −"−

OL 8200 «Opt.Inform.Syst.Incorp.»

OL 1010 −"−

NDL 3108 «NEC»

NDL 3205 −"−

NDL 5007 P −"−

LS7716 «ITT»

LS7737 −"−

HLP 5400 «Hitachi»

32

33

2.5. Модуляция полупроводниковых источников оптического излучения

Возможны два пути управления излучением СИД и ППЛ: внутренний и внешний.

Полупроводниковым излучателям (ППЛ) присущ самый простой среди известных в лазерной технике способов внутрилазерной модуляции выходного излучения. Для этого требуется только пропускать через p-n-активный слой в прямом направлении модулированный ток, в результате чего выходное излучение также будет промодулировано по интенсивности в соответствии с законом модулирующего сигнала. Простота и быстродействие внутренней модуляции обеспечили данному способу широкое применение. Однако имеется один серьезный его недостаток, который нейтрализует отмеченные преимущества, особенно в высокоскоростных ВОЛС. Виной тому – формирование оптических импульсов с паразитной частотной модуляцией (так называемых чирпов). При быстром нарастании тока накачки и вслед за ним импульса оптического излучения возникает импульсная поляризация вещества p-n-слоя. Изменяющаяся во времени поляризация среды (а значит и показатель преломления) вызывает неизбежную фазовую модуляцию на переднем фронте оптического импульса, а, следовательно, и модуляцию частоты. Оптический импульс с изменяющейся во времени несущей называют чирп-импульсом. Частотная модуляция (ЧМ) оптических импульсов приводит к их спектральному уширению, что при наличии дисперсии заметно ухудшает качество передачи информации по ВОЛС. Характерная форма лазерного импульса при внутренней модуляции излучения изображена на рис. 2.31. Действие чирпа приводит к тому, что каждый очередной импульс отличается от предыдущего амплитудой первого и последующих выбросов, временем нарастания и спада (длительностью переднего и заднего фронтов).

Вредное действие паразитной ЧМ при внутренней модуляции удается ослабить выбором формы импульса тока инжекции (рис. 2.32).

формальное	формальный
начало импульса	конец импульса
1й выброс
100%
90%	спадающий
интервал
колебаний	«хвост»
10%	время
0%
время	время
нарастания	спада

Рис. 2.31

В режиме излучения ток накачки поддерживается на уровне, немного превышающем пороговое значение IПОР. Оптический импульс при этом задерживается относительно импульса тока накачки на время

tЗАД =τ IПОР I0 (arth IПОР I0 −arth IПОР I0 ),

(2.12)

где τ – время рекомбинации, I0 – начальный ток.

Эффект чирпа и его отрицательные последствия радикально устраняются при внешней модуляции излучения оптических источников, так как в этом случае мощность выходного излучения лазера постоянна во времени, а процессы, протекающие во внешнем модуляторе, не влияют на свойства p-n- слоя. Внешний модулятор действует как затвор, который открыт (пропускает всю мощность излучения непрерывно работающего источника оптического излучения) при передаче двоичной единицы и закрыт, когда нужно передать двоичный нуль. Применение нашли три типа модулятора: Маха-Цандера,

			электроабсорбционный,	реф-
	IНАК(t)		ракционный.
			Первые два модулятора
	IПОР		получили наибольшее распро-
			странение. В модуляторе Маха-
	I0	t
			Цандера немодулированное не-
	Рис. 2.32		прерывное излучение	лазера

34

35

вводится	в	световодный
Y-разветвитель и с половин-			лазер
ной мощностью пропускает-
ся по двум		параллельным
световодам (рис. 2.33).						источник
					модулирующего
Плечи		разветвителя				сигнала
идентичны в оптическом от-					Рис. 2.33
ношении,	поэтому при от-

сутствии модулирующего сигнала на выходе разветвителя потоки лазерного излучения складываются синфазно, восстанавливая тот же уровень мощности, что и на входе. Если же к одному из плеч подводится модулирующий сигнал, его поле модулирует показатель преломления материала световода, и оптическая длина данного плеча изменяется во времени, приводя к временному изменению фазы оптической волны, прошедшей данное плечо. Сложение волн двух плеч на выходе Y-развет- вителя происходит в каждый момент с разной фазой, в результате чего суммарное излучение приобретает модуляцию по интенсивности. Поток электрических бит, поступающий от источника модулирующего сигнала, переносится таким образом

впоток оптических бит на выходе разветвителя. Модулятор

Маха-Цандера, выполненный на основе LiNbO3 осуществляет модуляцию до скоростей 75 Гбит/с при разнице уровней сигналов во включенном и выключенном состоянии около 10 дБ.

Действие модулятора электроабсорбционного типа основано на эффекте Франца-Келдыша, суть которого заключается

визменении ширины запрещенной зоны в полупроводниковом материале при изменении величины приложенного поперечного электрического напряжения. Поэтому, если оптическое излучение пропускать сквозь прозрачный полупроводниковый материал, к которому подведен модулирующий сигнал, переменное поле последнего, изменяя ширину запрещенной зоны, будет влиять на коэффициент поглощения и, следовательно, модулировать по интенсивности проходящее излучение. Для модуляторов на эффекте Франца-Келдыша лучше других подходят материалы с множественными квантовыми ямами. Мо-

дуляторы работают до скоростей 20 Гбит/с и более с коэффициентом уровней “включено/выключено” 15 дБ и выше.

2.6. Модулированные импульсные последовательности

Чтобы передать информацию по световоду, необходимо промодулировать распространяющуюся по нему оптическую волну (или волны) информационным сигналом. Модулировать можно амплитуду волны (точнее – ее квадрат, т.е. интенсивность), частоту, фазу, поляризацию, причем модуляция может быть как аналоговой, так и цифровой. Самый простой способ передать по световоду с помощью света какое-либо сообщение заключается в управлении интенсивностью света во времени аналогично тому, как изменяется сам информационный сигнал. Подобные ВОЛС с аналоговой модуляцией интенсивности нередко встречаются на практике. Однако если во главу угла при проектировании системы оптической связи поставить требование высокой надежности передачи информации, то следует обратиться к цифровому способу модуляции. Доказано, что природа, отбирая для живых существ, включая, естественно, человека, каналы передачи биосигналов, остановилась на цифровых коммуникациях, как самых надежных с точки зрения увеличения продолжительности жизни отдельных живых организмов и роста численности их популяции.

Развивая технику телекоммуникаций, специалисты «подсмотрели» это решение у Природы и теперь с успехом используют его в линиях передачи информации. Поэтому большинство ВОЛС являются цифровыми. При передаче данных в цифровом виде свет, генерируемый лазером или СИД, вводится в

световод не непрерывно, а лишь в определенные, дискретные моменты, временной интервал между которыми выбирается в соответствии с теоремой Котельникова. Прежде чем «оцифровать» мгновенное значение сигнала, весь диапазон изменения его амплитуды разбивается (квантуется) на некоторое число уровней, ступеней (например, на 10, 100 или 1000: чем больше уровней, тем мельче ступеньки, тем точнее копируется реаль-

36

37

u(t)

реальный

сигнал

ный сигнал). А затем в

выбранные по Котельни-

кову моменты

времени,

0

t

численно оценивается ве-

процедура дискретизации

личина сигнала по коли-

честву перекрытых уров-

12

и квантования сигнала

ней квантования. После-

10

8

довательность

перечис-

6

ленных

процедур

изо-

4

t

2

бражена на рис. 2.34.

0

t1

t2

t3

t4

t5

... ...

ti

Современные

элек-

дискретная выборка сигнала

тронные цифровые схемы,

и ее цифровая оценка

входящие в состав опти-

7

12

ческих

передатчиков

и

5

5

приемников,

работают

с

2

2

0

2

t

сигналами,

представлен-

ными в том или ином

t1

t2

t3

t4

t5

... ...

ti

стандарте, принятом в ми-

представление цифровых оценок

ре. Стандарты различа-

сигнала в двоичной форме

ются уровнями двоично-

0010

0010

0000

0111

0101

1100 0101

0010

го нуля и единицы, и по-

t

этому

выбор

стандарта

t1

t2

t3

t4

t5

... ...

ti

диктуется типом логиче-

Рис. 2.34

ских цепей, применяемых

в аппаратуре.

Наиболее широко применяется транзисторно-транзис-

торная цифровая логика (TTL), в которой двоичный нуль зада-

ется уровнем сигнала «плюс» 0.5 В, а двоичная единица –

уровнем «плюс» 5 В (рис. 2.35,а). Более быстрой является эмит-

терно-связанная логика (ECL), применяемая в ВОЛС при ско-

ростях передачи данных более 50 Мбит/с. В цепях с ECL-элемен-

тами нуль передается импульсом напряжения «минус» 1.75 В,

а единица – «минус» 0.9 В (рис. 2.35,б).

Передача информации со ступенчатым квантованием уров-

ня сигнала используется внутри цифровых логических схем.

При разнесении этих схем на значительное расстояние, как в

случае оптических передатчика и приемника, входящих всостав

38

уровень напряжения, В	0	уровень напряжения, В
5		t

	TTL	−0.9		ECL
0.5 «0» «1» «0» t		−1.75	«0»	«1» «0»
а	Рис. 2.35			б

ВОЛС, данные передаются с помощью модуляционных кодов, формат которых более сложен. Модуляционный код кодирует цифровые данные, выходящие из аналого-цифрового преобразователя оптического передатчика и направляемые в световод.

На рис. 2.36 показаны особенности наиболее популярных модуляционных кодов. Допустим, что требуется передать поток данных объемом 10 бит (рис. 2.36,а). Последовательность чередующихся импульсов «min» и «max», пара которых задает длительность бита, выполняет роль таймера (рис. 2.36,б). При использовании простейшего модуляционного кода NRZ (без возврата в нуль, рис. 2.36,в) нуль в цепочке данных представляется нулем кода («плюс» 0.5 В в TTL и «минус» 1.75 В в ECL), а единица данных – соответственно единицей кода («плюс» 5 В в TTL и «минус» 0.9 В в ECL). В коде RZ (с возвратом в нуль, рис. 2.36,г) иначе, чем в предыдущем случае, представляется единица: в течение первой половины бита, соответствующего «1», напряжение поддерживается на максимальном уровне, а во время второй половины снижается до минимального уровня (возвращается в нуль). Таким образом, в RZ-коде бит представлен двумя символами, тогда как в NRZ-коде – одним. И в том, и в другом коде отсутствует внутренняя синхронизация, тогда оптический приемник, восстанавливающий передаваемую по ВОЛС информацию, должен иметь либо собственную синхронизацию, либо получать сигналы таймера по отдельному каналу, что, конечно, усложняет и удорожает систему связи. Для модуляционных кодов, показанных на рис. 2.36,д,е,ж, сигнал таймера включен в их структуру: это коды с внутренней синхронизацией. В коде «Манчестер» каждый бит данных передается двумя символами, только бит, соответствующий «0» начинается с минимального уровня сигнала, а заканчивается

39