Державний комітет зв'язку та інформатизації України

ОНАЗ ім. О.С.Попова

Кафедра волоконно-оптичних ліній зв'язку

ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК

ДЖЕРЕЛ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Методичне керівництво

до лабораторної роботи №4-А

за курсом ВОСП

Одеса 2004

1. Мета роботи

Дослідження основних характеристик напівпровідникових джерел оптичного випромінювання, які використовують у волоконо-оптичних системах передачі (ВОСП) інформації.

2. Ключові положення

1. Джерела випромінювання

У ВОСП застосовуються напівпровідникові джерела випромінювання (ДВ) трьох видів: світловипромінюючі діоди (СД), суперлюміносцентні діоди (СЛД) і лазерні діоди (ЛД). Основою цих ДВ є напівпровідник (наприклад, арсенід галію - GaAs чи арсенід галію-алюмінію - GaAsAl та ін.) з металевими електродами. Напівпровідник містить р-n перехід, у якому при прямій напрузі зміщення електрони інжектуются з n-області в p-області. В останній відбувається випромінювальна рекомбінація носіїв, у результаті якої утворяться кванти світла в діапазоні довжин хвиль, що залежить від ширини забороненої зони напівпровідникового матеріалу.

Випромінювання СД є некогерентним і слабонаправленим. Тому для ефективної передачі енергії від СД необхідно використовувати багатомодові оптичні волокна (ОВ) з великою числовою апертурою.

У СЛД генерація світла обумовлена як спонтанним, так і змушеним випромінюванням. Вони, як і ЛД, містять резонатор, однак значення позитивного зворотного зв'язку недостатня для виникнення генерації. У результаті СЛД мають більшу, ніж у СД, яскравість випромінювання, вужчу діаграму спрямованості випромінювання і кращу швидкодію.

ЛД мають убудований оптичний резонатор, що дозволяє в результаті процесу змушеного (стимульованого) випромінювання, що виникає за умови перевищення струмом накачування деякого порогового значення I_п, значно збільшити інтенсивність випромінювання декількох або одній модах резонатора. Завдяки високої спрямованості випромінювання ЛД забезпечують досить ефективне введення потужності не тільки в багатомодове, але й одномодове ОВ.

Напівпровідникові ДВ мають практично важливими для волоконо-оптичного зв'язку властивістю - можливістю безпосередньої (внутрішньої) модуляції інтенсивності. Зовнішнього модулятора для цього не потрібно. Змінюючи струм інжекції (струм накачування), можна керувати інтенсивністю (потужністю) випромінювання, а, отже, досить просто модулювати вихідне випромінювання. Типові ватт-амперні характеристики (ВтАХ) трьох типів ДВ представлені на рис. 2.1,а. ВтАХ являє собою залежність потужності випромінювання Р від струму накачування I_н. ВтАХ СД і СЛД порівняно лінійні, тому їх доцільно використовувати при аналоговій передачі. У ЛД ВтАХ істотно нелінійна і має яскраво виражену порогову залежність. При струмах накачування вище порогового струму I_п ЛД працює в режимі змушеного випромінювання, у противному випадку – у спонтанному режимі. Струм, що модулює, не повинний бути менше I_п, тому, що перехід до режиму спонтанного випромінювання приводить до зниження швидкодії приладу (має місце затримка увімкнення) і розширенню спектру випромінювання. З метою забезпечення високої швидкодії і вузького спектра випромінювання при модуляції ЛД створюють початкове зміщення постійним струмом, що приблизно дорівнює пороговому. При цьому варто мати на увазі сильну температурну залежність ВтАХ ЛД (рис. 2.1,а).

Характеристики СД і СЛД мають набагато меншу температурну нестабільність. Принцип здійснення імпульсної модуляції інтенсивності випромінювання ЛД приведено на рис. 2.1,6.

Рис. 2.1

Основними параметрами ДВ є наступні: тип випромінювача, довжина хвилі випромінювання, випромінювана потужність, струм накачування, максимальна частота модуляції, ширина оптичного спектру, тип оптичного узгоджувального елемента, геометричні розміри, ресурс роботи, діапазон робочих температур. Порівняльні характеристики двох ДВ, що досліджуются у лабораторній роботі, приведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1- Типові параметри джерел випромінювання

Марка приладу	Тип випроміню-вача	Довжина хвилі випромі-нення, мкм	Потуж-ність випромі-нення, мВт	Струм накачки, А	Максимальна частота модуляції, МГц	Ширина спектру, нм	Діаметр серцевини волокна мкм
ИЛПН-301	СЛД	0,85	0,1	0,1	15	40	50
ИЛПН-202	ЛД	1,3	1,0	0,12	200	5	50

Вибір джерела оптичного випромінювання диктується особливостями проектованої ВОСП. Теоретично, ЛД щонайкраще підходять для ВОСП, мають малі габарити, масу, високий ККД і швидкодією. При малих апертурних кутах вони дозволяють вводити до одно- та багатомодових ОВ потужність у декілька міліват, що дозволяє передавати інформацію на відстань у десятки кілометрів без ретрансляції. Швидкість передавання може перевищувати 1 Гбіт/с. Недоліком ЛД є невеликий ресурс роботи (близько 10⁴ годин), а також сильна температурна та часова нестабільність випромінюваної потужності, що змушує застосовувати спеціальні схеми її стабілізації [9.1].

СД і СЛД є простішими і дешевшими за ЛД, мають практично лінійну ВтАХ, великий ресурс роботи (до 10⁵ годин), кращу температурну і часову стабільність. Однак для СД і СЛД характерні мала швидкодія (менш 100 Мбіт/с) і значна розбіжність пучка світла, що дозволяє вводити навіть у багатомодовое ОВ лише кілька відсотків випромінюваної потужності. З цих причин СД і СЛД доцільно використовувати в аналогових, а також у цифрових ВОСП невеликої довжини (без регенераторів) при швидкостях передачі інформації до 34,368 Мбіт/с, наприклад, для з’єднувальних ліній між АТС у міській телефонній мережі.