Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009), страница 14

Несмотря на такие большие ресурсыволокна, реализовать передачу на скорости 25 Тбит/с в настоящее время невозможно, поскольку соответствующая частотамодуляции пока недостижима. Однако есть другое эффективноерешение, идея которого заключается в разделении всей полосына каналы меньшей емкости. Каждый из таких каналов можноиспользовать под отдельное приложение. Эта технология известна как волновое мультиплексирование (WDM). Технология WDM позволяет увеличить пропускную способность волокна не за счет увеличения частоты модуляции, а за счет добавления новых длин волн - новых несущих. Единственное условие,которое необходимо выполнить - это исключить перекрытиемежду спектральными каналами.Градиентное многомодовое волокно.

Широко используются два стандарта многомодового градиентного волокна 62,5/125 и 50/125. Полоса пропускания этих волокон на длиневолны 1300 нм в два раза превышает полосу пропускания надлине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Полоса пропускания определяется дисперсией, которая состоит измежмодовой и хроматической дисперсии.

Если межмодоваядисперсия слабо зависит от длины волны (см.(10.4)), то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения (11.8). Хроматическая дисперсия в окрестностях 1300 нмочень мала, однако возрастает для длины 850 нм. С учетом того,что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие ширину спектра источника109Δλ ≈ 50 нм , хроматическая дисперсия на длине волны 850 нмначинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсиюможно, применяя в качестве источника излучения лазерныедиоды, имеющие значительно меньшую ширину спектра излучения. В полной мере воспользоваться этим преимуществомлазерных источников можно только при использовании одномодового волокна в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, когдаполностью отсутствует межмодовая дисперсия, и остается только хроматическая дисперсия.Одномодовые волокна.

С точки зрения дисперсии, существующие одномодовые волокна разбиваются на три типа: стандартные волокна SF со ступенчатым профилем (рис. 12.3, а),волокна со смещенной дисперсией DSF (рис. 12.3, б) и волокна сненулевой смещенной дисперсией NZDSF.Относительный показательпреломления(%)2,52,01,58,3/125 Стандартное одномодовоеволокно(ступенчатый профильпоказателя преломления)1,00,50,0- 0,5- 25- 15-5 0515Относительный показательпреломления(%)3,0251,00,9 Одномодовоеволокно0,8со смещенной0,7дисперсией0,60,50,40,30,20,10,0- 0,1- 25 - 15 - 5 0(спецпрофильпоказателяпреломления)5Радиус (мкм)Радиус (мкм)1525а)б)Рис.

12.3. Профили показателей преломления одномодовых волокон. а) SF, б) DSF.Все три типа волокон очень близки по затуханию на длинахволн 1310 нм и 1550 нм, но отличаются характеристиками хроматической дисперсии. Стандартное волокно SF оптимизировано по дисперсии для работы в окне 1310 нм (длина волны нулевой дисперсии), хотя и дает меньшее затухание в окне 1550 нм.Волокно со смещенной дисперсией DSF полностью оптимизировано для работы в окне 1550 нм как по затуханию, так и по110дисперсии.

Это волокно оптимально для случая передачи однойдлины волны - одноканальной передачи. Однако волокно DSFимеет ограниченные возможности при использованиях в системах многоканального волнового мультиплексирования WDM.При передаче многоканального сигнала используются эрбиевыеоптические усилители. Оказалось, что именно длина волны нулевой дисперсии 1550 нм, попадая внутрь рабочего диапазонаэрбиевого усилителя, является источником нелинейных эффектов (прежде всего, четырехволнового смешивания), что проявляется в резком возрастании шума при распространении многоканального сигнала.Для преодоления недостатков волокна DSF, проявляющихсяпри работе с мультиплексным оптическим сигналом, было создано волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF. Длина волны нулевой дисперсии такого волокна вынесена за пределы полосы пропускания эрбиевого усилителя.

Это уменьшаетнелинейные эффекты и улучшает характеристики волокна припередаче WDM сигнала.ВыводыРассмотрены механизмы возникновения потерь в оптических волокнах, способы их уменьшения и оптимальные рабочиедлины волн для оптического волокна.Вопросы и задачи12.1. Ознакомьтесь с видами потерь в оптическом волокне.

Чемопределяются потери в длинноволновой области? Какиепримеси приводят с увеличению потерь вблизи длиныволны 1480 нм?12.2. Что такое рэлеевское рассеяние?12.3. Чем определяются кабельные потери?12.4. Что такое длина отсечки волокна?12.5. Какие рабочие диапазоны длин волн вы можете назвать?Для каких длин волн оптимизированы современные оптические волокна, применяемые в высокоскоростных сетях?111ЛЕКЦИЯ 13Источники излучения для оптической связи.Излучение света в p-n – переходе.13.1. Источники излученияОптический источник для оптоволоконной системы связидолжен удовлетворять нескольким основным требованиям:• источник должен иметь высокую выходную яркость вузкой полосе частот на требуемой длине волны в 850 нм,1310 нм, 1550 нм,• выходное излучение должно легко модулироваться,• площадь излучающей поверхности не должна бытьбольше сердцевины волокна,• угловое распределение излучения должно быть согласовано с волокном,• источник должен иметь высокий КПД, большую надежность и стабильность выходной мощности,• стоимость производства источника должна быть относительно невысокой.В настоящее время используются два основных типа источника,удовлетворяющие данным требованиям: светодиоды и полупроводниковые лазерные диоды.13.2.

Собственные и примесные полупроводникиОпишем свойства полупроводниковых материалов, которыемогут быть использованы для генерации света. Читатель, знакомый с зонной теорией твердого тела, данный раздел может пропустить.Рассмотрим зонную диаграмму собственных полупроводников (без примесей). В собственных полупроводниках притемпературе абсолютного нуля валентная зона (ВЗ) полностьюзаполнена электронами, зона проводимости (ЗП) пуста (см.

рис.13.1, а). Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона (ЗЗ), в которой отсутствуют разрешенные энергетические уровни электронов. Если сообщить электронам валентной зоны энергию, равную ширине запрещеннойзоны, они могут перейти из валентной зоны в зону проводимо-112сти. При этом в валентной зоне образуются пустые уровни, которые можно интерпретировать как положительно заряженныедырки.

Ширина запрещенной зоны в полупроводниках достаточно велика (она достигает нескольких электроновольт). Поэтому в собственных полупроводниках при сообщении дополнительной энергии (например, при росте температуры) переходы электронов из ВЗ в ЗП происходят редко. Значит, собственная проводимость полупроводников очень мала.EcEFЗПЗЗEvЗПEcEFЗЗEvEcEFЗПЗЗEvВЗВЗВЗа)б)в)Рис. 13.1.

Зонная диаграмма полупроводников. а) - собственныйполупроводник, б) - донорный полупроводник, в) - акцепторныйполупроводник.На рис. 13.1. E c - дно зоны проводимости, E v - потолок валентной зоны, E F - энергия уровня Ферми. Под уровнем Фермидля полупроводников будем понимать уровень, вероятность заполнения которого равна 0,5. В собственном полупроводникеуровень Ферми находится посередине запрещенной зоны.Рассмотрим донорный полупроводник или полупроводникn-типа - полупроводник, в который введена примесь, с валентностью, на единицу большей валентности основного материала.С точки зрения зонной теории при введении донорной примесивнутри запрещенной зоны появляются дополнительные уровни,заполненные электронами (рис.13.1,б).

При соответствующемвыборе примеси эти уровни находятся ближе к зоне проводимости. При росте температуры электроны с донорных уровней лег-113ко переходят в зону проводимости. Таким образом, в донорныхполупроводниках имеются основные носители - электроны зоныпроводимости, и также неосновные носители - дырки в валентной зоне, возникшие из-за наличия у полупроводника собственной проводимости.В акцепторный полупроводник или полупроводник р-типавведена примесь с валентностью на единицу меньшей валентности основного материала. С точки зрения зонной теории привведении акцепторной примеси внутри запрещенной зоны появляются дополнительные незаполненные уровни (рис.13.1,в).

Приросте температуры электроны валентной зоны легко переходятна эти акцепторные уровни, при этом в валентной зоне образуются дырки, являющиеся основными носителями. Неосновныминосителями в полупроводнике р-типа являются электроны зоныпроводимости, возникшие из-за наличия собственной проводимости.13.3. p-n - переходРассмотрим диаграмму энергетических уровней p-n - перехода, находящегося в равновесном состоянии. Напомним, что вполупроводнике n-типа уровень Ферми смещен от середины запрещенной зоны в сторону зоны проводимости, а в полупроводнике р-типа - в сторону валентной зоны (см.