§ 21. Чирпинг эффект при прямой модуляции лазера
DFB лазеры (Distributed Feedback Laser) с прямой модуляцией излучения обладают тем преимуществом, что стоят в несколько раз дешевле лазеров с внешним электроабсорбционным модулятором (рис. 1.31) и обладают в несколько раз большей мощностью излучения. Однако при изменении тока через полупроводниковый диод (прямая модуляция) меняется не только коэффициент усиления диода, но и показатель преломления р/n перехода. Следовательно, меняется частота излучения лазера, т. е. импульсы приобретают чирпинг.
Характерно, что при скоростях модуляции выше 1 ГГц этот чирпинг имеет положительный знак. Поэтому при использовании лазеров с прямой модуляцией и скорости передачи в 2.5 Гбит/с (STM-16) длина ретрансляционного участка в линии с SM волокнами ограничивается дисперсией (рис. 1.32).
Рис. 1.31. Импульсы и их спектры на выходе DFB лазеров с прямой модуляцией (а) и с внешним модулятором (б). Ширина импульсов одинаковая, но импульс, полученный при прямой модуляции лазера, обладает чирпингом и у него спектр шире
Рис. 1.32. Прохождение импульсов (2.5 Гбит/с (STM-16)), полученных при прямой модуляции DFB лазера (λ = 1550 нм) в линии с SM волокном
Как показано на рис. 1.32, картина восстанавливается (импульсы сжимаются) после того, как они проходят через компенсатор дисперсии (DC волокно с отрицательной дисперсией). Однако каждый компенсатор дисперсии вносит большие потери (3.. .9 дБ), и в линию приходится включать оптический усилитель, что сводит на нет весь экономический эффект, получаемый за счет использования DFB лазеров с прямой модуляцией. Кроме того, использование компенсатора дисперсии представляет и определенную техническую проблему, так как в кольцевых линиях направление маршрута данных и, соответственно, длина компенсируемого участка волокна может изменяться.
Для того чтобы удовлетворить растущую потребность в недорогих средствах передачи больших объемов информации в городских сетях и сетях средней дальности, были разработаны новые модели волокон с отрицательной дисперсией (MetrCore компании Corning и WideLight компании Pirelli и др.). Применение волокон с отрицательной дисперсией позволяет не только обеспечить высокую скорость передачи данных в этих сетях, но и снизить стоимость комплекта «оборудование + кабель».
Результаты экспериментальных исследований изменения ширины импульсов (при скорости передачи 2.5 Гбит/с (STM-16)) в SM волокне (положительная дисперсия) и в волокне MetroCore (отрицательная дисперсия) представлены на рис 1.33. Изменение ширины импульсов характеризуется штрафом по мощности: q = 10 log(Δt2/Δt1), где Δt2/Δt1 – отношение ширины импульса в линии к ширине импульса на входе в линию. Видно, что в SM волокне импульсы уширяются и достигают уровня q = 2 дБ (Δt2/Δt1 = 1.6) на расстоянии порядка 150 км. В то же время в волокне MetroCore по крайней мере до 400 км эти же импульсы не уширяются.
Рис.1.33. Зависимость штрафа по мощности от длины линии с прямой модуляцией DFB лазера λ = 1557 нм) со скоростью 2.5 Гбит/с. Линия с волокном MetroCore длиной 418 км содержит 4 эрбиевых оптических усилителя с выходной мощностью 3 дБм.