Лекция 4. Конспект лекций

### Лекция 4. Модули передачи оптических сигналов

4.1. Источники оптического излучения
4.1.1 Требования к излучателям
4.1.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
4.1.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
4.1.4 Согласование источников оптического излучения с физическими средами
4.2. Модуляция оптического излучения
4.2.1 Определение модуляции и классификация видов
4.2.2 Прямая модуляция источников излучения
4.2.3 Внешняя модуляция оптического излучения
4.2.4 Сравнительные характеристики видов модуляции

В разделе «Модули оптической передачи» рассматриваются: конструкции, принцип действия и характеристики источников оптического излучения для ВОСП; согласование источников излучения с волокнами; принципы прямой и внешней модуляции оптического излучения; схемотехнические решения по построению схем модуляторов; конструкции модулей передачи.

### 4.1. Источники оптического излучения

Источник оптического излучения, излучатель – прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения. Источники оптического излучения должны отвечать определенным требованиям для успешного их применения в системах связи.

4.1.1 Требования к излучателям

1. Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения.

2. Узкая спектральная полоса излучения.

3. Направленность излучения. Концентрация излучения на малой площади, характеризуемая показателем интенсивности (4.1)

(4.1)

где n – показатель преломления, С – скорость света, Е – напряженность светового поля [В/см].

4. Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения.

5. Совместимость с приемниками излучения и физическими средами передачи.

6. Когерентность излучения.

7. Миниатюрность и жесткость исполнения.

8. Высокая технологичность и низкая стоимость.

9. Длительный срок службы (не менее 10 5 часов)

10. Высокая устойчивость к различным перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным).

11. Возможность перестройки частоты излучения.

Указанным требованиям в большой степени отвечают некоторые типы излучателей:

- светоизлучающие полупроводниковые диоды (СИД);

- инжекционные полупроводниковые лазерные диоды (ППЛ);

- твердотельные лазеры;

- волоконные лазеры.

В отдельных случаях применение могут найти малогабаритные газовые лазеры.

Светоизлучающий прибор является центральным прибором в составе передающего оптического модуля.

4.1.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики

Светодиод (СИД) представляет собой полупроводниковый прибор с p-n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

Конструкции светодиодов для оптической связи

В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рис. 4.1) и торцевой (рис. 4.2).

Рисунок 4.1 Конструкция поверхностного светодиода

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.

Рисунок 4.2 Конструкция торцевого светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.

Принцип действия светодиодов

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запрещенной зоны активного слоя:

(4.2)

При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоёв полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности (рис.4.1) или из торца (рис.4.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).

Основные характеристики светодиодов

Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рис.4.3).

Рисунок 4.3 Ваттамперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться.

Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рис. 4.4).

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД 1 (около 10 ÷ 30нм), для поверхностного СИД 2 (около 30 ÷ 60 нм).

Рисунок 4.4 Спектральные характеристики светодиодов

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок.

Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рис. 4.5)

Рисунок 4.5 Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (РМАКС /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины φ x ≈ φ y и могут составлять 110○ ...180○. Для СЛД величины φ x и φ y не равны и примерно составляют: φ x ≈ 60 ○, φ y ≈ 30 ○.

Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

(4.3)

Эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе "полупроводник – воздух" и "полупроводник – световод" из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).

4.1.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики

Определение лазера

Лазер (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения.

Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.

Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель (рис. 4.6).

Рисунок 4.6 Двухуровневая модель процессов в лазере

В присутствии электромагнитного излучения (фотонов определенной энергии) с подходящей длиной волны в подходящем веществе (газе, жидкости, твердом теле, полупроводнике) могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов. При переходе между состояниями электронов с энергией Ev и Ес излучение имеет частоту

(4.4)

т.е. в свободном пространстве наблюдается волна

(4.5)

где h – постоянная Планка, С – скорость света.

При взаимодействии излучения с атомами вещества, находящимися в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение квантов излучения (фотонов) и атомы перейдут на верхний энергетический уровень. Спонтанное излучение фотонов может происходить случайно. Когда во взаимодействии с излучением принимает участие возбужденный атом, т.е. находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти стимулированное излучение. Оно имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим излучением. Благодаря этому могут быть получены такие характеристики излучения как узкополосность, направленность, возможность модуляции в широкой полосе частот.

Все три вышеуказанных процесса можно связать между собой уравнением Эйнштейна:

(4.6)

где E(f) – полная энергия поля фотонов на единицу объема материала;

А21 – коэффициент, определяемый вероятностью спонтанного перехода в единицу времени с уровня ЕС на уровень EV;

В21 и В12 – коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня ЕС на EV и наоборот; таким образом, произведение В12 E(f) характеризует вероятность поглощения, а произведение В21E(f) – вероятность вынужденного излучения;

N1 и N2 – число возбужденных электронов.

Физический смысл уравнения Эйнштейна можно представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая – полную энергию, выделяемую в веществе в виде спонтанного и стимулированного излучения. Условие вынужденного излучения записывается:

(4.7)

При одинаковых В21 и В12 должны быть созданы условия инверсной населенности N2 > N1, что трактуется как необходимость усиления электронов (возбуждение электронов).

Таким образом, для создания условия стимулированного излучения необходимо выполнение неравенства

(4.8)

что свидетельствует о необходимости получения сильного электромагнитного поля (высокой концентрации фотонов) в веществе. Исходя из вышеотмеченного, можно сделать вывод о конструкции лазера (рис. 4.7).

Для того, чтобы вещество стало источником когерентного излучения, оно должно иметь область с инверсной населенностью (N2 > N1) и связанную с ней область пространства (резонатор), в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E(f) > 1). Фотонное поле создается отражателями фотонов, образующими резонансную систему.

Рисунок 4.7 Общая конструкция лазера

Определение резонатора для лазера

Что такое резонатор? В широком смысле резонатором называют колебательную систему, в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора.

Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми. Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри – Перо) приведен на рис. 4.8.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Рисунок 4.8 Резонатор Фабри – Перо

Условие образования стоячих волн в зоне свободной дисперсии записывается:

(4.9)

где m = 1, 2, 3,... – число полуволн.

Частотное расстояние между двумя ближайшими колебаниями определяется соотношением

(4.10)

С учетом показателя преломления среды внутри резонатора можно записать:

(4.11)

где n > 1. Также можно показать, что

(4.12)

Открытый резонатор способствует разрежению мод по сравнению с объемным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.

Важной характеристикой резонатора является его добротность:

(4.13)

где R – коэффициент отражения зеркал.

Пример: для L = 0,5 мм; R = 0,3; n = 3,6; λ = 0,85 мкм.

Получено Q = 5787

Для создания инверсной населённости в веществе, помещаемом в резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и другие. В технике оптических систем связи в основном используются полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником накачки приборов в этом случае является источник электрического тока. Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми и оптическими характеристиками.

Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров

Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на простейшие (гомолазеры) и с различными гетероструктурами, например, двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод, с распределенной обратной связью (РОС), с распределенными брэгговскими отражателями (РБО), связанно – сколото - составные (С3), с внешней синхронизацией мод и т.д. В рамках ограниченного по объему конспекта не представляется возможным рассмотреть достаточно подробно все эти конструкции. Поэтому внимание будет уделено только четырем конструкциям, которые чаще всего применяются в оптических передатчиках систем связи. Это многомодовый лазерный диод полосковой геометрии с резонатором Фабри – Перо (обозначается Ф-П) (рис.4.9), лазер с распределенной обратной связью и распределенными брэгговскими отражателями (РОС, РБО) и лазер с вертикальным резонатором (ЛВР).

Название "двойная гетероструктура" обозначает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера, выполняемого в виде монокристалла. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов (квантовая яма). Активный слой имеет толщину около 0,1  1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

Рисунок 4.9 Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной гетероструктурой

При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение, как и в СИД. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозрачные зеркала (R ≈ 0,33). Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами. При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность и при N2 > N1 может произойти полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией (рис. 4.10).

Условия лазерной генерации имеют фазовую составляющую

(4.14)

N = 1, 2, 3...

и амплитудную составляющую

(4.15)

где Кu – коэффициент усиления среды на длине резонатора L, α - коэффициент затухания среды, R – коэффициент отражения (~0,33).

Рисунок 4.10 Ватт-амперная характеристика лазерной генерации мощности

Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд.

Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (рис. 4.11).

Рисунок 4.11 Спектральная характеристика излучения лазера

Для излучения лазером максимальной мощности необходимо добиться совпадения максимальной мощности спектра спонтанного излучения и собственных мод резонатора. Реальная спектральная характеристика лазера Ф-П представлена на рис. 4.12

Спектральная характеристика представляет совокупность мод генерации. Ширина спектра оценивается на уровне –3 дБм от максимальной мощности (Рмакс/2).

Излучение лазера, выходящее через торец, характеризуется диаграммой направленности. Угловая расходимость когерентного излучения обусловлена фундаментальными пределами

(4.16)

где А – апертура излучателя, λ - длина волны центральной моды.

Для полупроводникового лазера величина угла расходимости оценивается постой формулой:

(4.17)

где dx и dy – размер излучающей площадки по горизонтали и вертикали. Реальный угол расходимости составляет: φ x ~ 5 ÷ 10 град, φ y ~ 15 ÷ 30 град.

Рисунок 4.12 Спектральная характеристика лазера Ф – П

Необходимо отметить, что характеристики излучения лазера не остаются постоянными. Например, величина порогового тока экспоненциально зависит от температуры тела лазера

(4.18)

где ti > t1. На рис. 4.13 приведены графики зависимости порогового тока лазера от температуры.

Рисунок 4.13 Зависимость мощности излучения и порогового тока
от температуры для лазеров FP и вертикального излучения VCSEL

Для снижения зависимости порогового тока лазера от температуры в конструкциях применяют микрохолодильники на основе эффекта Пельтье, т.е. отбора излишков тепловой энергии материалами сплавного типа при прохождении через них электрического тока определенной величины.

При изменении величины тока накачки в лазере происходит изменение спектрального состава (рис.4.14), что при модуляции тока накачки информационным сигналом приводит к динамическому уширению спектра и перескоку максимальной мощности излучения с одних мод на другие.

Рисунок 4.14 Перескок мод лазера при изменении тока накачки

Широкий спектр лазерных мод затрудняет процесс передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи из-за дисперсии импульсов оптической мощности. Для преодоления этой проблемы разработаны различные конструкции одномодовых лазеров. Чаще других применяют лазеры типа РОС, распределенная обратная связь (DFB, Distributed Feed Back) и лазеры с брэгговскими отражателями РБО (DBR, Distributed Brag Reflector); лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР (VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser).

В отличие от лазеров Ф-П в лазерах РОС и РБО положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создается не за счет зеркал, локально расположенных на торцах резонатора, а образуется внутри самого лазера. В лазерах РОС такая связь создается благодаря распределенной структуре под названием "гофр". Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем (рис. 4.15).

Обратная связь в лазере РОС осуществляется за счёт брэгговского рассеяния волн на гофре, который представляет собой фазовую дифракционную решетку с очень высокой разрешающей способностью, являющейся «распределённым резонатором». Качественная картина этого процесса состоит в следующем. Волна, распространяющаяся в активном слое справа влево, испытывает частичные отражения от гофра, в результате чего образуются дифрагированные волны, распространяющиеся в противоположном направлении, т.е. слева направо.

При этом волна, распространяющаяся вправо, ослабевает в направлении к левому краю, т.к. её энергия перекачивается в волну противоположного направления, интенсивность которой возрастает при сложении отраженных волн в фазе.

Рисунок 4.15 Конструкция лазера РОС

Т.о. электромагнитное поле в резонаторе РОС можно представить в виде двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Внутри резонатора могут сохраниться только волны, отражающиеся от гофра под углом Q+π/2. Это обусловлено селективностью обратной связи, для которой длину волны настройки на отражение в резонаторе вычисляют через условие Брэгга – Вульфа

(4.19)

где Λ - период гофра, nЭ – эффективный фазовый показатель преломления, l – целое число, λ0 – длина волны излучения в свободном пространстве. Для Q = π/2 шаг гофра может быть определен:

(4.20)

при этом, как правило, значение l = 1.

Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.

Длина волны, обозначенная в (6.20) λ0, называется длиной волны Брэгга. Ей соответствует частота генерации

(4.21)

где L – длина активного слоя с гофром, с – скорость света в свободном пространстве.

Важнейшей характеристикой одномодового лазера РОС является спектр излучения (рис. 4.16).

Рисунок 4.16 Спектр излучения лазера РОС

Обычно ширина спектра излучения лазера РОС оценивается на уровнях: -3дБм; –20дБм и -30дБм от максимального значения мощности. Кроме того, в спектре могут наблюдаться боковые моды, величина подавления которых должна быть не менее 30 дБ.

Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно-оптических линий.

Лазеры РБО имеют другую конструкцию (рис. 4.17), в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС на порядок.

Рисунок 4.17 Конструкция лазера РБО

Характеристики некоторых видов одномодовых и многомодовых полупроводниковых лазеров приведены в табл. 4.1. Для получения высокой стабильности излучения лазеров разработаны также лазеры с вертикальными резонаторами ЛВР (рис. 4.18).

Таблица 4.1 Характеристики полупроводниковых лазеров

В этих лазерах генерация оптического излучения происходит поперек p-n перехода. Преимущество короткого высококачественного резонатора ЛВР заключается в генерации моды узкого спектра высокой стабильности. Такие лазеры могут формироваться группами на одной подложке микросхемы. При этом стабилизация параметров производится сразу для всего лазерного массива. Слои отражателя выполнены из набора четвертьволновых пластин, фильтрующих моду излучения. Они формируют структуру распределенного брэгговского отражателя DBR. Слои изолятора уменьшают спонтанную эмиссию фотонов. Лазеры ЛВР отличаются высокой температурной стабильностью излучаемой моды и её мощности.

Рисунок 4.18 Конструкция лазера ЛВР

4.1.4 Согласование источников оптического излучения с физическими средами

Соединение источника с волокном

С учетом различия апертур источника излучения и световода разработан ряд элементов ввода – вывода излучения. Они выполняют функцию оптического согласования угловых апертур активных элементов (светодиодов и лазеров) и световодов. Показатели преломления полупроводниковых материалов, из которых изготавливаются СИД и ППЛ, имеют размерность около 3,5 (ППЛ ≈ 3,5), а стекловолокно – около 1,5. Еще больше проблем с выводом / вводом излучения через воздушный зазор, т.к. показатель преломления воздуха мало отличается от единицы (nв = 1,001). Условие полного внутреннего отражения при распространении света на границе раздела сред полупроводник – воздух имеет вид (4.22):

(4.22)

αКР = критический угол вывода (рис. 4.19)

Рисунок 4.19 Схема вывода излучения из светодиода

При этом доля излучаемой мощности составит:

(4.23)

Вместе с тем лучи, достигшие поверхности раздела сред в пределах КР испытывают некоторое отражение на неоднородностях поверхностей (полупроводника и стекловолокна). Коэффициент, учитывающий это рассеяние, вычисляется (6.24):

(4.24)

Пример расчета эффективности вывода излучения:

Эффективность вывода излучения

где Р0 – излученная мощность в активном слое.

Эффективность составит

Для повышения эффективности ввода излучения в стекловолокно используются различные линзы, позволяющие сконцентрировать световой луч, что эквивалентно увеличению апертуры. Анализ согласования источника излучения с одномодовым волокном, проведенный методом волновой оптики, показывает:

(4.25)

(4.26)

где х – боковое смещение, z – продольное смещение, r1 и r2 - радиусы модовых пятен волокна и лазерного луча на уровне мощности 1/е2. При этом луч света сужен линзовой системой.

При жесткой стыковке излучателей и оптических волноводов используют клеевые фотополимеризуемые композиты на основе полиэфиракрилатных компаудов. Эти клеи быстро полимеризуются под действием ультрафиолетового излучения и имеют малую усадку.

Линзовые соединения

На рис. 4.20 – 4.23 представлены различные линзовые соединители, которые согласуют световоды и излучатели.

Рисунок 4.20 Прямое согласование на световоде

Рисунок 4.21 Согласование полусферической линзой на излучателе

Рисунок 4.22 Согласование сферической линзой

Рисунок 4.23 Согласование селфоковой линзой

Приведенные на рисунках примеры линзовых соединителей (микролинз, торцевых линз, граданов) не исчерпывают все возможные способы. Сравнительные характеристики эффективности согласования источников излучения с одномодовыми (ОМ) и мгомодовыми (ММ) волокнами представлены в табл.4.3.

Таблица 4.3 Потери на стыке излучателя и волокна

Вывод излучения в атмосферу

В открытых (атмосферных) оптических системах связи основная сложность состоит в изменчивости атмосферной прозрачности и рефракции оптического луча. Таким образом, осуществить строгую фокусировку луча от передатчика к приемнику не представляется возможным. Для того, чтобы получить максимальную мощность в приемном устройстве, необходимо учесть не только направленные свойства источника излучения (лазера, светодиода), но и апертуру приемника, дифракционные искажения при выводе излучения в атмосферу, рефракцию и поглощение в атмосфере и согласующих устройствах.

В плоскости приемной апертуры должно формироваться изображение излучаемой мощности от передатчика. Для этого используется система расширения светового коллимированного пучка (рис. 4.24). Это уменьшает расходимость, обусловленную дифракцией света.

Рисунок 4.24 Вывод излучения в атмосферу

Благодаря расширителю пучка получены угловые расходимости лазерного излучения в пределах 0,5 ÷ 3 ± 0,1 мрад при мощности передатчика от 10 до 45 мВт и дальности передачи от 0,5 до 5 км.

Для расчета максимального затухания атмосферного канала с учетом угловой расходимости излучения применимо соотношение 4.27.

(4.27)

где Pпер – мощность на выходе передающей антенны, Dприем.ант. -диаметр приемной антенны, Pприем.миним.- минимальная мощность на входе приемной антенны, φ – угол расходимости излучения, Lатмос.кан. – длина атмосферного канала.

Если расходимость пучка света мала, например, не превышает 0,1 мрад, то требуемая точность наведения будет предъявлять жесткие требования к системе управления лучом и механической стабильности передатчика и приемника.

Перестройка частоты излучения лазера

В системах многоволновой передачи (DWDM), кроме лазеров с фиксированными частотами генерации, часто необходимы перестраиваемые лазеры. Такие лазеры необходимы для коммутации и управления оптическими потоками в оптических сетях. Также перестройка лазеров необходима для тестовых операций элементов систем DWDM. При этом важнейшей характеристикой перестройки лазера является скорость перестройки, которая должна измеряться наносекундами в одних случаях (переключение нагрузки с оптического канала на оптический канал) и в других случаях секунды, когда происходит тестирование каналов DWDM.

Широкое применение получили перестраиваемые лазеры с внешними резонаторами Фабри-Перо, дифракционными брэгговскими решетками, плоскими отражательными дифракционными решетками, встроенным управляемым воздушным резонатором и др. В табл. 4.4 приведены примеры характеристик перестраиваемых лазеров.

Таблица 4.4 Характеристики перестраиваемых лазеров

В заключении краткие выводы по учебному материалу:

- основными источниками излучения для техники оптической связи служат полупроводниковые приборы СИД и ППЛ, которые имеют разнообразные конструкции и области применения, но при этом соответствуют требованиям к источникам излучения для техники связи;

- для протяженных волоконно-оптических линий наибольшее применение получили одномодовые лазеры с узким спектром излучения (менее 1нм);

- для коротких линий оптической связи (внутриофисных, местных) хорошо подходят светодиоды и многомодовые лазеры, которые дешевле в производстве и эксплуатации, т.к. часто не требуют применения микрохолодильников;

- проблемным является сопряжение волоконных световодов и источников излучения из-за различных площадок излучения и сердцевин волокон;

- для применения лазеров в системах передачи с WDM необходима перестройка длины волны излучения, что достигается усложнением конструкций приборов и повышением их стоимости, однако при этом лазеры могут производиться одинаковыми, но настраиваться на разные волны излучения.

### 4.2. Модуляция оптического излучения

4.2.1 Определение модуляции и классификация видов

Сигналы, поступающие от источников сообщений (микрофона, телевизионной камеры, датчика телеметрии и других), как правило, не могут быть непосредственно переданы по каналу радиодиапазона или оптического диапазона частот. Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде (атмосфере или стекловолокне), необходимо перенести спектр сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот.

Процедура переноса спектра из низких частот в область высоких частот называется модуляцией.

Обратная процедура получила название демодуляции.

Модуляция в оптических системах с одноканальной и многоканальной передачей должна удовлетворять ряду требований:

- при модуляции должен создаваться компактный спектр сигнала, спектральная эффективность должна приближаться к величине 0.4-0.5 бит/с/Гц (например, полоса 100ГГц при скорости 40Гбит/с);

- модулированный сигнал должен быть максимально устойчив к нелинейным эффектам;

- модулированный сигнал должен быть устойчивым к дисперсионным и нелинейным искажениям в волоконно-оптической линии и устройствах компенсации дисперсии и оптического усиления;

- конфигурация оптического передатчика и приемника должны быть достаточно простыми.

В технике оптических систем передачи этим требованиям соответствуют в определенной степени внешняя и прямая модуляция электромагнитных излучений оптического диапазона.

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации, фазы и частоты оптической несущей) при прохождении светового луча через какую-либо среду (рис. 4.25).

Внешняя модуляция основана на следующих физических явлениях.

Электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Рисунок 4.25 Принцип внешней модуляции по интенсивности

Магнитооптический эффект Фарадея – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Упругооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (или механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, эффект Рамана – Ната).

Электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала (эффект Франца-Келдыша).

Наиболее широкое применение в модуляторах оптических передатчиков получили: электрооптический эффект и электроабсорбционный эффект. Модуляторы на их основе называются ЭОМ и ЭАБОМ. Эти модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (скорости от 2,5 Гбит/с до 100 Гбит/с и более).

Рисунок 4.26 Принцип прямой модуляции

Прямая модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения (рис. 4.26).

Прямая модуляция отличается относительной простотой и реализуемостью в интегральных схемах, что труднодостижимо для внешней модуляции. Однако применение прямой модуляции имеет частотный (скоростной) предел около 10 ГГц (2,5  10,0 Гбит/с). Это обусловлено конечным временем жизни носителей зарядов и фотонов в средах преобразования (активном слое лазерного диода).

Относительная простота и низкая стоимость прямой модуляции обусловили ее широкое применение в оптических системах передачи аналоговых и цифровых сигналов с модуляцией интенсивности (мощности) излучения.

Помимо модуляции интенсивности излучения нашли применение методы модуляции фазы, частоты и поляризации оптического излучения, как для передачи информационных сигналов, так и для высокоточных датчиков.

4.2.2 Прямая модуляция источников излучения

Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение (рис. 4.27), которое позволяет получить линейный процесс.

Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду через волновую поверхность площадью один квадратный метр. Однако для описания процесса модуляции часто применяется просто параметр мощности:

где Р0 – постоянная или максимальная мощность излучения в зависимости от выбора величины тока смещения, М – параметр глубины модуляции, который определяется соотношением

где РР – пиковая мощность оптического излучения, Рmin – минимальная мощность оптического излучения.

Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением, как показано на рис. 4.27, для ваттамперной характеристики ППЛ. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции могут искажаться. Поэтому при модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования применяется степенная аппроксимация.

Рисунок 4.27 Прямая модуляция со смещением

Степенная аппроксимация ваттамперной характеристики с нелинейностями в окрестностях некоторой рабочей точки I0 (ток смещения) можно представить в виде зависимости мощности излучения:

где а0, а1, а2... – коэффициенты аппроксимации.

Полагая, что ток, проходящий через прибор (СИД или ППЛ), подчиняется закону:

После подстановки и перехода к мощности получится:

Таким образом, нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра, т.е. появлению гармоник сигнала P2cos2ωs t, P3cos3ωs t и т.д. Изменение спектра опасно образованием переходных помех в многоканальных системах. По этой причине на искажения введены показатели для оценки нелинейности: затухание нелинейности по мощности второй и третьей гармоник

Минимально допустимые значения затухания нелинейности для аналоговой модуляции составляют: а н2 = 55 дБ, а н3 = 60 дБ.

Для достижения указанных значений а н2 и а н3 могут применяться различные методы уменьшения нелинейных искажений: предискажение, использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация.

Введение предискажений в информационный сигнал S(t) до модуляции, обратные тем, которые при модуляции вносит источник излучения, позволяет выполнить требование по минимальной величине а2г и а3г, однако в этом методе реализация модулятора чувствительна к возможным изменениям ваттамперной характеристики.

Метод отрицательной обратной связи наиболее широко применяется для компенсации нелинейных искажений в усилителях аналоговых систем. Однако при реализации в оптическом модуляторе имеет место особенность в использовании оптического канала (рис. 4.28).

Излучаемая мощность Рs будет пропорциональна параметрам передачи сигнала в цепи обратной связи, образованной фотодиодом и усилителем 1.

где R – коэффициент, учитывающий передачу в усилителе 2.

Рисунок 4.28 Схема модулятора с компенсацией нелинейных
искажений в цепи обратной связи

Необходимо отметить, что кроме компенсации нелинейных искажений в схеме с обратной связью стабилизируется величина средней излучаемой мощности и поддерживается рабочий режим источника излучения.

Для уменьшения влияний нелинейных искажений на качество передачи информации в аналоговых системах применяют предварительную модуляцию на поднесущей частоте. При этом модулированный сигнал преобразуется в формат импульсного двухуровнего сигнала с частотно- импульсной, широтно-импульсной, время-импульсной модуляцией (ЧИМ, ШИМ, ВИМ).

Модуляционные характеристики светоизлучающего диода

Частотная характеристика модуляции СИД имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую временем жизни инжектированных носителей зарядов в активном слое :

где f – частота модулирующего сигнала S(t). Полоса частот модуляции СИД определяется по частоте, на которой обнаруживается уменьшение средней квадратичной мощности модулированного сигнала в два раза:

Это возможно в случае

В логарифмическом масштабе это изменение мощности будет соответствовать

На рис. 4.29 представлен график частотной характеристики модуляции СИД.

Рисунок 4.29 Частотная характеристика модуляции СИД

Реальная полоса частот модуляции СИД зависит от конструкции прибора и, как правило, не превышает 100 МГц.

Эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД представлена на рис. 4.30.

Рисунок 4.30 Эквивалентная схема модулятора с СИД

Заметное отличие имеют характеристики модуляции СИД в высокочастотном непрерывном и импульсном режимах модуляции.

Высокочастотный непрерывный режим предполагает большой ток прямого смещения Io, на который накладывается гармоническое воздействие

где

В таком случае задержки рекомбинации определяются временем жизни носителей заряда в активном слое и внутренней квантовой эффективностью. Достижимая полоса частот модуляции может быть расширена до 200 МГц.

Рисунок 4.31 Характеристика быстродействия СИД при модуляции

В импульсном режиме модуляции, когда происходит включение и выключение прибора большим сигналом, скорость релаксации зависит не только от , но и от таких процессов, как перезарядка барьерной емкости p-n перехода (Сд = 10 ÷ 100 пФ), установлением распределения концентрации носителей зарядов во всей области излучения. При этом наблюдается задержка включения

где Uд – напряжение на диоде, Is - амплитуда модулирующего импульса. Кроме того, наблюдается время нарастания импульса tНР (рис. 4.31).

Общее время включения СИД при импульсной модуляции составит

результате этого полоса частот модуляции СИД не достигает и 100 МГц. Только в короткозамкнутом режиме, когда выключается Is и замыкается цепь СИД, полосы частот модуляции малым и большим сигналом могут быть равными.

Модуляционные характеристики полупроводникового лазера

Частотная характеристика модуляции ППЛ имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую спонтанным временем жизни фотона в активном слое внутри резонатора:

где IП - пороговый ток лазера, IS - ток модулирующего сигнала.

Частотные характеристики модуляции ППЛ зависят и от добротности резонатора

где с – скорость света; n – показатель преломления активного слоя ППЛ; L – длина резонатора; аР – потери на рассеяние; R1 и R2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Кроме того, выбор величины тока смещения относительно порогового позволяет изменять полосу частот модуляции.

Приведенные модуляционные характеристики имеют явно выраженный резонансный характер. В основе резонансного характера лежит процесс взаимодействия между избыточными носителями и оптическим излучением в резонаторе. В зоне генерации возникают два своеобразных резервуара (носители заряда и кванты – фотоны), между которыми происходит обмен энергией. Наиболее наглядно резонансное явление наблюдается при импульсной модуляции тока накачки (рис. 6.32).

Рисунок 4.32 Частотные характеристики модуляции ППЛ

При возбуждении лазера скачком тока IS наблюдается задержка начала генерации на время , которое необходимо для возрастания плотности носителей зарядов до порогового уровня:

Резкое увеличение концентрации носителей заряда в свою очередь вызывает возрастание рекомбинационного излучения, которое опять с задержкой увеличивает вынужденную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей заряда и уменьшению излучаемой мощности. Наличие задержек приводит к колебательному процессу, называемому "пичковым" или "звоном лазера" (рис.4.33). Пичковый режим ограничивает частотный диапазон модуляции многомодового лазера. Применение в технике оптической связи узкополосковых лазеров, лазеров зарощенного типа, одномодовых лазеров РОС со специальными поглощающими противопичковыми добавками на основе титана исключили в значительной степени влияние "звона".

Другой проблемой прямой модуляции лазерного прибора стало динамическое уширение спектра. Если ППЛ работает в режиме постоянного тока, то легко возникает одна продольная мода. Однако если осуществить непосредственную гармоническую модуляцию, то число генерируемых продольных мод возрастает. Это связано с тем, что одновременно с модуляцией происходит резкое изменение усиления в активном слое, и при большом числе продольных мод усиление постепенно превышает потери в резонаторе. Это уширение спектра называется динамическим или другое название «чирпинг-эффекта», т.е. паразитной частотной модуляции.

Рисунок 4.33 Импульсная модуляция ППЛ

Динамическое уширение спектра зависит от частоты модуляции и становится серьезной проблемой в случае, когда полоса передачи ограничена шириной спектра источника оптического излучения, например, хроматической дисперсией в одномодовом стекловолокне (рис. 4.34) т.к. это явление приводит к дополнительным искажениям оптических импульсов. Кроме того, в процессе прямой модуляции образуются дополнительные шумовые составляющие, которые также ограничивают возможности передачи по волоконным световодам.

Шумы модуляции лазера

Шумы, возникающие при модуляции тока накачки лазера, подразделяются:

- шумы, обусловленные спонтанным излучением;

- шумы, обусловленные изменением температуры и тока (дробовый шум);

- шумы, обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном;

- шумы перескока моды;

- шумы частотной модуляции.

Рисунок 4.34 Пример динамического уширения спектра

Шумы спонтанного излучения присутствуют во всех без исключения полупроводниковых лазерах. Они обусловлены флуктуациями коэффициента усиления в активном слое из-за флуктуаций спонтанного излучения. При этом максимум шума может быть распределен в частотном интервале от 1 ГГц до 100 ГГц.

Шумы изменения температуры и тока накачки – обусловлены изменением смещения из-за изменения температуры и модулирующих составляющих тока накачки. Сказывается влияние частот ниже 10 МГц.

Шумы отражения оптического сигнала от стыка с поверхностью световода связаны с возвратом отраженного света, который имеет произвольную фазу. При этом изменяются условия генерации, которые приводят к изменению резонансной длины волны, числа генерируемых мод, изменению формы ватт-амперной характеристики и т.д. Для борьбы с шумами отражения используются оптические изоляторы.

Шумы перескока моды возникают из-за малого спектрального расстояния между модами. При ширине спектра моды около 1-2 нм расстояние между модами составляет около 0,8 нм. По этой причине и недостаточно высокой добротности резонатора в процессе модуляции возникают возможности генерации лазера на соседних модах. Перескок моды приводит к значительным колебаниям мощности излучения лазера. Для устранения шумов перескока применяется режим с высоким смещением (около или выше порогового тока). Лазеры типа РОС, благодаря регулировке, не имеют перескока мод.

Шумы частотной модуляции сходны по природе с шумами мод, обусловленными флуктуациями спонтанного излучения, колебаниями температуры, электрического тока, обратным светом, перескоком моды. Эффективным средством борьбы с шумом модуляции лазера считается отрицательная обратная связь с широкой полосой частот.

Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения СИД и ППЛ

Простейшая схема (рис. 4.35) применяется для модуляции СИД. Схема требует больших токов включения источника сигнала. В схеме могут возникать большие искажения информационного сигнала. В схеме сложно выполнить предварительное смещение.

Рисунок 4.35 Простейшая схема модулятора

Схема модулятора с логическим затвором и предварительным смещением (рис. 4.36) позволяет обеспечить высокие скорости передачи сигналов с двумя уровнями передачи.

Транзистор VT1 с резистором R образуют логический затвор, который управляется информационным сигналом.

Рисунок 4.36 Схема модулятора с логическим затвором

Стабилизирующая схема модулятора с обратной связью позволяет обеспечить высокую линейность модуляции, что чрезвычайно необходимо для сигналов, чувствительных к нелинейным искажениям (рис. 4.37). Схема стабилизирует излучение ППЛ.

Рисунок 4.37 Стабилизирующая схема модуляции с обратной связью

Небольшая часть выходной мощности захватывается местным фотодиодом (ФД), совмещенным с ППЛ, преобразуется в фототок, ток усиливается и сравнивается с током информационного сигнала. Отклонение мощности излучения компенсируется изменением тока накачки.

Рассмотренные схемы модуляторов могут входить в состав передающих оптических модулей, которые представлены двумя видами: светодиодными или лазерными модулями и интегрированными передающими модулями.

Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули

Светодиодные и лазерные модули представляют собой излучатели, размещенные в корпусах, сопряженных со стандартными оптическими соединителями. Передающие модули помимо согласующих устройств имеют встроенные фотодиоды обратной связи, терморезисторы, термоохладители. Конструктивное оформление модулей способствует выполнению требований по характеристикам и удобству в эксплуатации. На рис. 4.38 приведен пример схемы модуля. Схема требует применения навесного монтажа, управления охладителями и формирователя тока модуляции.

Рисунок 4.38 Структурная схема лазерного модуля

Интегральные передающие модули формируют оптические сигналы для передачи в волоконной линии на волнах, соответствующих стандартов, например, для SDH волны 1510 ... 1560 нм. Они состоят из лазера со схемой управления, системы автоматической регулировки уровня мощности, устройства наблюдения за лазерным лучом и сигнализатора неисправности (рис.4.39).

Охладитель со схемой управления размещен в корпусе. Необходимо заметить, что охладитель (микрохолодильник) потребляет электрический ток от 300-700мА до 1.4А, что существенно превышает ток накачки при прямой модуляции лазера (10 - 150мА).

Входы данных и тактовой частоты – дифференциальные, на основе схем положительной эмиттерно-связанной логики.

Рисунок 4.39 Схема передающего интегрированного модуля

Эти интегральные модули не требуют навесных элементов. Для их применения нужно подвести только напряжение питания. Устройства интегрального модуля входят в состав модулей, которые в свою очередь входят в стандартные модули SFP, XFP, CFP (Small Form-factor Pluggable, ….). При этом может применяться как прямая так и внешняя модуляция излучения лазера.

4.2.3 Внешняя модуляция оптического излучения

Внешняя модуляция оптического излучения позволяет практически полностью исключить эффект паразитной частотной модуляции (чирпинг- эффект), снизить шумы модуляции, сформировать требуемую форму оптических импульсов и даже подавить полностью или частично оптическую несущую частоту, понизив тем самым совокупную мощность когерентного сигнала в стекловолокне, что, естественно, снижает вероятность нелинейных искажений в многоволновых системах передачи. Кроме того, при внешней модуляции можно управлять полосой модулированного оптического излучения в различных схемах с модуляторами Маха-Зендера, что необходимо при построении систем передачи с волновым мультиплексированием WDM.

Внешняя модуляция происходит в ряде материалов, пропускающих оптические волны, где существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим сжатием и т.д. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности излучения, фазы, поляризации, направления распространения). Такие изменения называют модуляцией.

Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили уже упомянутые ранее электрооптический эффект, электроабсорбционный эффект, который часто причисляется к электрооптическому, и акустооптический эффект. Поэтому в дальнейшем рассматриваются электрооптическая и электроабсорбционная модуляции оптического излучения когерентных источников.

Внешняя модуляция имеет различные импульсные форматы: NRZ, non return to zero – без возврата к нулю на тактовом интервале; RZ, return to zero – возврат к нулю на тактовом интервале. Эти импульсные форматы чаще всего ассоциируют с бинарными сигналами, т.е. имеющими два информационных значения мощности или интенсивности: включенное и выключенное состояние передатчика OOK(On/Off Keying).

Основным различием форматов модуляции является деление на бинарные и многоуровневые. Используя бинарные форматы, существуют только два уровня, которые кодируются в амплитудную или фазовую несущую. Используя многоуровневые форматы модуляции, информационный бит кодируется на М уровней. По этой причине информация передаются на уменьшенной скорости , где R исходная скорость передачи. В рамках многоуровневого классам модуляции, существуют 2 подкласса – псевдо-многоуровневая модуляция и корреляционное кодирование. Здесь, символьный алфавит не увеличивается, чтобы уменьшить скорость передачи на фиксированную скорость, однако, дополнительная степень свободы используется для формирования спектра в некоторую благоприятную форму. Если назначение передаваемых избыточных символов независимо от данных, то такие схемы называются псевдомногоуровневые. Если избыточность символов зависит от передаваемой информации, тогда данные типы причисляют к корреляционным кодам, или частично реагирующим, схемам модуляции.

Псевдомногоуровневые и корректирующие коды имеют преимущество замедлять скорость передачи 10 Гбит/с. Увеличение скорости передачи до 40 Гбит/с и выше для многоуровневой модуляции уменьшает скорость передаваемых символов и кажется более привлекательной, такие схемы уменьшают спектральную полосу, и по этой же причине менее подвергаются помехам, таким как хроматическая дисперсия и ПМД.

Однако данное преимущество появляется с ростом сложности передатчиков и приёмников требуемых для модуляции и демодуляции сигналов. Во вторых, взаимодействие линейных и нелинейных эффектов передачи непредсказуемо и изучается отдельно для каждой из схем модуляции. В зависимости от выбора схемы модуляции, некоторые искажения могут доминировать над другими. Нахождение оптимального уровня передачи также является задачей, что исследуется отдельно для каждой из схем модуляции.

При фазовой модуляции информация закладывается в относительный сдвиг фазы несущих двух последовательных импульсов. Этот фазовый сдвиг должен быть преобразован в модуляцию интенсивности. Обозначаются такие форматы DPSK (Differertial Phase Shift Keying). Формат DPSK относится к двухуровневому. Также для фазовой модуляции находят применение и многоуровневые форматы, например, четырёхуровневый DQPSK. Что используется в системах передачи с волновым мультиплексированием WDM, где применяется модуляция с экономией спектра, т.е. с минимальными спектрами боковых частот и с частичным или полным подавлением оптической несущей. Это актуально для скоростей передачи 10, 40 и 100Гбит/с. Используемые при этом некоторые виды форматов сигналов для модуляции обозначены на рис. 4.40.

Некоторые обозначения фазовой оптической модуляции:

CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero – формат с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей частоты;

DCS-RZ, Duobinari Carrier-Suppressed Return-to-Zero –дуобинарный с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей;

RZ-DQPSK, Return-to-Zero Differertial Quadrature Phase Shift Keying – квадратурная дифференциальная фазовая модуляция с возвращением к нулю.

Рисунок 4.40 Форматы высокоскоростной внешней модуляции

Решения по форматам реализуются благодаря использованию модуляторов Маха – Зендера с фазовой электрооптической модуляцией, которая выполняется в нескольких ступенях, т.е. две или три (на рис. 4.40 импульсный генератор, кодер данных).

Электрооптическая модуляция

Электрооптическая модуляция (ЭОМ) может происходить на основе линейного (эффект Поккельса) и нелинейного (эффект Керра) изменения коэффициента преломления физической среды. Линейная модуляция света может происходить в кристаллах уже упомянутого LiNbO3 и ряда других: BaTiO3, Bi4Ti3O12, KNbO3, KTaO3.

Нелинейная модуляция света может происходить в глицерине, сероуглероде, стекловолокнах с некоторыми примесями полупроводников и редкоземельных металлов.

В технике оптических систем передачи чаще применяются модуляторы с линейным электрооптическим эффектом. В таких модуляторах внешнее переменное электрическое поле создает в веществе оптическую анизотропию, наблюдаемую как двойное лучепреломление. При этом образуется набег фазы между обыкновенным и необыкновенным лучами:

где L – длина пути в веществе, no – коэффициент преломления для обыкновенного луча, nе – коэффициент преломления для необыкновенного луча, λ - длина волны излучения.

Внешнее электрическое напряжение, деформирующее значение показателей преломления n (x, y, z) в различных плоскостях, должно иметь определенную степень воздействия:

где Ер – степень воздействия внешнего поля, rip – электрооптические постоянные, определяемые характеристиками кристалла, i – направление воздействия (оси x, y, z). Например, если в направлении х кристалла приложить электрическое напряжение U0, то при толщине кристалла d коэффициент преломления вдоль осей х и y для обыкновенной и необыкновенной волн будет иметь вид:

Таким образом, изменения Δ nо и Δ nе приводят к изменению поляризации волны когерентного излучения, проходящего через кристалл. На рис. 4.41 и 4.42 показано изменение поляризации и образование модулированного по интенсивности излучения.

Рисунок 4.41 Схема ЭОМ

Рисунок 4.42 Пространственное положение вектора поляризации
электрического поля Е

На рис. 4.42 обозначено:

1 – неполяризованное излучение лазера; 2 – поляризованное излучение; 3 – образование обыкновенного и необыкновенного лучей, которые перпендикулярны; 4 – пространственное изменение поляризации из-за деформации показателей преломления под действием напряжения модуляции; 5 – излучение, модулированное по интенсивности на выходе анализатора.

На выходе анализатора схемы ЭОМ интенсивность излучения будет меняться по следующему правилу:

где Uπ - напряжение, при котором φ = π, - называется полуволновым, Um – модулирующее напряжение.

На выходе из кристалла обыкновенная и необыкновенная волны интерферируют, и результирующий вектор будет вращаться. При полуволновом напряжении на выходе модулятора наблюдается максимум интенсивности (если φ0 = 0).

Величина полуволнового напряжения определяется:

Частотная характеристика модулятора определяется межэлектродной емкостью, обозначаемой - С, и внутренним сопротивлением R источника модулирующих сигналов

При малых значениях R и С полоса частот модулирующего сигнала может достигать несколько десятков ГГц. ЭОМ пригоден для импульсной модуляции света, т.к. является быстродействующим прибором.

К недостаткам ЭОМ относят большие габариты, температурную зависимость Δn.

На рис. 4.43 представлено конструктивное исполнение электрооптического модулятора на основе LiNbO3 для скорости 2.5Гбит/с с вносимыми потерями мощности не более 4дБм.

Рисунок 4.43 Конструктивное исполнение ЭОМ

Электроабсорбционная модуляция

В электроабсорбционных оптических модуляторах (ЭАБОМ) используется эффект Франца – Келдыша. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводниках смещается в длинноволновую область оптических излучений. Для арсенида галлия (GaAs) это смещение происходит при напряженности электрического поля 1,3 × 10 5 В/см.

Наличие резкой границы полосы поглощения у прямозонных материалов при приложении электрического поля может привести к сильному изменению поглощения вблизи границы полосы. Для GaAs эта граница может быть сосредоточена около 0,9 мкм. Другие материалы выбирают для изготовления модуляторов на длине волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.

На рис. 4.44 представлена конструкция одного из ЭАБОМ.

На рис. 4.45 представлены характеристики поглощения ЭАБОМ и примерные зоны их применения при напряжениях от 0 до 105 В/см.

Рисунок 4.44 Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ

Глубина модуляции интенсивности излучения на выходе ЭАБОМ зависит не только от изменения α, но и от длины модулятора. Оценка изменения поглощающей способности:

где при γ = 0.2, L ≈ 50 мкм, Δα = 5000 1/см может быть получено изменение прозрачности на 20 дБ. Пример модуляции в ЭАБОМ на рис. 4.46.

ЭАБМ имеют малую инерционность и поэтому получили применение в высокоскоростных ВОСП на скоростях 10-40Гбит/с. Пример конструкции ЭАБОМ, совмещаемого с конструкцией лазера РОС в единый модуль, приведен на рис. 4.47.

Рисунок 4.45 Характеристики поглощения в ЭАБОМ

Рисунок 4.46 Модуляционная характеристика ЭАБОМ

Рисунок 4.47 Интегральная конструкция оптического модуля передачи
(лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный
модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)

На рис. 4.48 представлена фотография модуля передачи с ЭАБОМ.

Рисунок 4.48 Внешний вид модуля передачи с ЭАБОМ

На рис. 4.49 представлена схема модуля с ЭАБОМ.

Рисунок 4.49 Компоненты модуля передачи с ЭАБОМ

Модулятор Маха – Зендера

Модулятор Маха – Зендера (в литературе встречается название Цендера и обозначение MZM) может быть отнесён к электрооптическим модуляторам. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединённых отрезками отдельно управляемых волноводов. Распределённая связь между световодами отсутствует, они играют роль фазового модулятора (рис. 4.50).

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале изменений нет.

Оптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением.

Рисунок 4.50 Модулятор Маха – Зендера

В теории модулятора MZM определен принцип модуляции интенсивности оптического излучения. Амплитуду оптического поля на выходе MZM можно определить:

где А1 и А2 представляют амплитудные значения поля в двух волноводных каналах общей оптической мощности , Ф1, Ф2 представляют фазы полей в параллельных волноводах.

Выходная оптическая мощность MZM находится:

Входная мощность делится на две составляющих, .

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM представляется:

где . Для идеально сбалансированного MZM b = 1.

При этом собственные потери мощности не принимаются во внимание. Разность фаз (Ф1-Ф2) определяется двумя составляющими:

Ф0 при нулевом напряжении смещения и ΔФ при ненулевом напряжении смещения.

Разность фаз зависит от длины параллельных волноводов MZM, изменения показателя преломления Δn и коэффициента оптического фактора моды γ:

где электрооптический коэффициент определяется:

где rij электрооптический коэффициент, определяемый материалом, V прикладываемое напряжение, d расстояние между электродами с напряжением.

Через подстановку получено:

где полуволновое напряжение.

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM определяется:

Соотношение между Δn и V нелинейно, что приводит к сложной зависимости коэффициента передачи от модулирующего напряжения. Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы (Vπ). На рис. 4.51 приведен пример модуляционной характеристики, а в табл. 4.5 приведены примеры характеристик модуляторов MZM.

Рисунок 4.51 Пример модуляционной характеристики MZM

Спектр модулированного оптического сигнала в формате RZ представлен на рис. 4.52.

Рисунок 4.52 Пример спектра оптического сигнала при модуляции
MZM на скорости передачи данных 40Гбит/с в формате RZ

На рис. 4.53 представлен пример схемы модулятора Маха-Зендера, в котором реализуется подавление несущей частоты при кодировании в формате с возвращением к нулю (CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero).

Таблица 4.5 Характеристики модуляторов Маха-Зендера

Рисунок 4.53 Пример схемы высокоскоростного модулятора
с подавлением несущей (CS-RZ) на основе модулятора Маха-Зендера

Пример формирования сигнала на выходе модулятора CS-RZ приведен на рис. 4.54.

Рисунок 4.54 Формирование оптического модулированного сигнала
CS-RZ при фазовой манипуляции логическими посылками 1 и 0

Из рис.4.53 и 4.54 видно, что следующие друг за другом логические 1 вызывают изменение фазы импульса оптической несущей частоты на 1800. Это приводит к подавлению в спектре модулированного сигнала оптической несущей волны (рис. 4.55).

Рисунок 4.55 Спектр модулированного оптического сигнала
при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате CS-RZ

Для получения ещё более узкого спектра модулированного оптического сигнала в ВОСП - WDM используется схема формирователя с двумя ступенями (рис.4.56) модуляции DCS-RZ (Duobinary CS-RZ) (рис.4.57). На первой ступени модулятором MZ#1 (в точке а) формируются импульсные посылки из непрерывного излучения одномодового лазера (рис.4.58). Эти посылки на второй ступени модулятора MZ#2 пропускаются на выход (точка b) по состоянию информационного сигнала, пропускаемого через фильтры нижних частот (LPF), в два плеча модулятора Маха-Зендера. Схема EXOR и 1Т создает формат RZ.

Рисунок 4.56 Схема формирователя сигнала DCS-RZ

В итоге преобразований оптического сигнала получен более узкий спектр и почти полное подавление оптической несущей частоты.

Рисунок 4.57 Спектр модулированного оптического сигнала при скорости
передачи данных 40Гбит/с в формате DCS-RZ

Рисунок 4.58 Формирование оптического сигнала DCS-RZ

Другие примеры фазовой модуляции с использованием MZM представлены на рис. 4.59.

Рисунок 4.59 Примеры временных диаграмм оптического
кодирования CSRZ-DPSK и RZ-DPSK

4.2.4 Сравнительные характеристики видов модуляции

Преобразование электрических сигналов в оптические можно реализовать в передатчике несколькими способами (прямой модуляцией, внешней электрооптической, акустооптической, электроабсорбционной модуляцией). Какое значение имеет каждый вид модуляции?

Например, при сравнении прямой и внешней модуляции на скорости передачи импульсов цифрового сигнала в 10 Гбит/с в стандартном одномодовом оптическом волокне (G.652) допустимые дальности передачи составляют:

- при прямой модуляции – до 20 км;

- при электроабсорбционной модуляции – до 100 км;

- при электрооптической модуляции (модулятор Маха – Зендера) - свыше 100 км, а при наличии оптических усилителей и функций FEC – до 1500 км.

Среди видов фазовой внешней модуляции также можно сравнить между собой по следующим показателям (табл.4.6): ширина спектра; устойчивость к оптическим шумам; устойчивость к хроматической (ХД) и поляризационной модовой дисперсии (ПМД); устойчивость к оптическим нелинейным искажениям; устойчивость к искажениям в фильтрах мультиплексоров OADM и ROADM.

Таблица 4.6 Оценка форматов кодирования для фазовой модуляции на скорости передачи 40Гбит/с

При использовании волокон с характеристиками G.652 предпочтение должно быть для форматов NRZ-DPSK, NRZ-DQPSK, NRZ-DB. При этом наблюдается низкая устойчивость к ПМД.

Лучшие результаты может обеспечить передача по волокнам с характеристиками G.655, G.656 (со смещенной ненулевой дисперсией), что обусловлено меньшими дисперсионными искажениями ПМД, при компенсации хроматической дисперсии и малыми

Акустические модуляторы не сравниваются по характеристикам из-за ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц).

Среди перспективных высокоскоростных видов модуляции необходимо обратить внимание на внешнюю модуляцию двухступенчатой реализации с ограничением полосы модулированного сигнала в форматах NRZ и RZ при доубинарном фазовом и амплитудном кодировании с подавлением несущей частоты, с подавлением одной боковой (DB-CSRZ, CSRZ-DPSK, RZ-DQPSK, RZ-ASK, и т.д.). Эти виды модуляция предназначены, прежде всего, для систем DWDM большой протяженности линий со скоростью передачи в каждом канале 40Гбит/с и выше с минимизацией межканальных помех и частотного интервала между каналами оптической передачи. В перспективе модули оптической передачи для DWDM будут выполняться гибридными (рис.4.60), где совмещаются источники излучения со схемами стабилизации режима работы, оптические внешние модуляторы MZM, оптические мультиплексоры и элементы волоконной оптики. Пример сравнительной оценки помехоустойчивости некоторых видов фазовой модуляции и модуляции интенсивности относительно оптического соотношения сигнал/шум (OSNR, Optical Signal Noise Ratio) представлен на рис.4.61.

Рисунок 4.60 Гибридный модуль передачи 25 каналов WDM
на общую скорость до 1Тбит/с от IBM

Нетрудно заметить из табл.4.6, что наилучшие показатели имеют форматы модуляции RZ-DPSK и RZ-DQPSK. Кроме того эти форматы обладают лучшей устойчивостью к ПМД, например, на скорости 40Гбит/с при погонном значении ПМД равном 0,1пс/√км дальность передачи в формате NRZ не превышает 1000 км, в формате RZ 50% DPSK составляет около 1500 км, а в формате RZ 50% DQPSK может достигать 6500 км!

Рисунок 4.61 Помехоустойчивость кодирования различных видов внешней
оптической модуляции на скорости 40Гбит/с

В качестве краткого вывода по разделу можно отметить, что модуляция оптического сигнала во многом определяет возможности по скорости и дальности передачи информационных сообщений в оптических каналах.

При этом повышение эффективности модуляции сопровождается существенным усложнением оптической схемотехники не только передатчика, но и приемника оптических сигналов.

Наилучшим решением по схемам оптических передатчиков и приемников считается интеграция различных компонентов на единой подложке, что обеспечивает массовое тиражирование и стабилизацию режима работы (температура, потребление энергии, технологичность) при эксплуатации. Такая интеграция в специальной литературе получила название «фотонной вертикали» или фотонных интегральных схем (Photonic IC, PIC).