Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Это устройство может осуществлять и некоторые дополнительные функции: задание постоянного смещения (предпороговая подпитка);придание импульсу накачки специальной формы, обеспечивающей форсирование начала и обрыва генерации; изменение длительности импульса возбуждения по сравнению с поступающим импульсом (например, для улучшения теплового режима работы лазера) и т.п. В устройство возбуждения могут бытьвведены и блоки, выполняющие совершенно иные функции: аналого-цифровоепреобразование сигнала, кодирование, мультиплексирование и др. В этом случае передающий модуль фактически превращается в оконечное устройство линии передачи информации; его описание выходит за рамки данного рассмотрения. Устройство возбуждения выполняется в виде интегральной монолитнойили гибридной микросхемы.«Центром» передающего модуля является излучатель - именно в нем происходит оптоэлектронное преобразование.
Основные излучатели ВОЛС - полупроводниковые инжекционные гетеролазеры на основе соединений GaAlAs116(для диапазона длин волн 0,8-0,9 мкм) и InGaAsP (1,3-1,6 мкм). Используютсяпрактически все структуры, предназначенные для получения низкого тока накачки и высокой степени когерентности: полосковые лазеры, лазеры с зарощенной структурой, с распределенной обратной связью и сдвоенные лазеры сосколото-связанными резонаторами. Модуль может содержать одновременнонесколько лазеров, излучающих на разных длинах волн (для целей спектрального мультиплексирования), в этом случае структурная схема соответственновидоизменяется и усложняется.Излучение лазера поступает на выходное оптическое устройство, включающее элементы согласования (селективные фильтры или смесители мод; элементы, преобразующие диаграмму направленности излучения к оптимальному дляввода в волокно виду) и оптический соединитель.
Часть светового потока лазера с помощью светоделителя (или путем использования внеапертурного излучения) направляется на фотоприемник обратной связи, который через микроэлектронное устройство управления так воздействует на устройство возбуждения и на лазер, чтобы осуществлялась компенсация температурных, деградационных и других изменений мощности на выходе модуля. Для ослабления температурных эффектов в модуль вводится термоэлектрический охладитель,включающий измеритель и схему автоматической регулировки температуры.Важнейшей частью модуля является корпус, выполняемый обычно в видеплоской прямоугольной металлической коробочки с электрическим и оптическим соединителями на противоположных торцах.
В тех случаях, когда предполагается монтаж модуля непосредственно на печатную плату, электрическийсоединитель заменяется системой выводов.Для коротких ВОЛС с невысокими скоростями передачи информации удобно вместо лазера использовать светодиоды: это повышает надежность и долговечность передающего модуля, снижает его стоимость, резко упрощает структурную схему. В этом случае термоэлектрические охладители не нужны, исключается также цепь фоточувствительной обратной связи.Передающие модули на основе полупроводниковых инжекционных излучателей (лазеров и светодиодов) характеризуются всеми достоинствами, присущими этим приборам: малыми габаритными размерами, долговечностью и надежностью, экономичностью, малыми питающими напряжениями, простотоймодуляции.Приемный модуль предназначен для обратного преобразования оптическогосигнала, поступающего из канала передачи (световода), в электрический и еговосстановление до исходного вида; через оптический согласующий элемент(обычно оптический соединитель, а иногда и фокусирующая линза) излучениепоступает на чувствительную площадку фотоприемника, в качестве которогопрактически повсеместно используются фотодиоды: лавинные и с р-i-nструктурой.
Для спектрального диапазона ∆λ = 0,8-0,9 мкм это кремниевые фотодиоды, для диапазона ∆λ = 1,3-1,6 мкм - фотодиоды на основе германия и,главным образом, на основе соединений InGaAs или InGaAsP. Определенныеперспективы для фотоприёма в ВОЛС имеют гетерофототранзисторы со сверх-117тонкой базовой областью и планарные фоторезисторы (на основе кремния, арсенида галлия и др.).Назначение последующих каскадов состоит в обеспечении оптимального(или квазиоптимального) приема, т.
е. в реализации такого алгоритма, которыйпозволяет получить наилучшие характеристики (порог чувствительности, полоса частот и др.) при неизбежном действии шумов и искажениях. Конкретноеисполнение этих каскадов зависит от типа используемого фотоприемника и вида поступающих информационных сигналов (их амплитуды, частоты следования, кода и др.).Предварительные усилители обычно выполняются в одном из двух вариантов: высокоимпедансный (интегрирующий) усилитель тока или трансимпедансный усилитель - преобразователь тока в напряжение, охваченный глубокойотрицательной обратной связью. Первый вариант характеризуется наименьшимуровнем шумов и, соответственно, максимальной пороговой чувствительностью, но вместе с тем и ограниченным динамическим диапазоном, а такжесложностью изготовления и индивидуальной настройкой.
Для второго варианта, напротив, типичны большой динамический диапазон и широкая полоса частот, но он уступает первому по порогу срабатывания. В широкополосных трансимпедансных усилителях наилучшие шумовые характеристики достигаютсяпри использовании биполярных транзисторов.Схема обработки сигнала представляет собой специальный электронныйфильтр, предназначенный для уменьшения межсимвольной интерференции,т. е.
частичного наложения импульсов на выходе усилителя вследствие дисперсионных явлений в световоде и динамических искажений в приёмнопередающих модулях. В схеме принятия решения (как правило, компараторе)сигнал сравнивается с заданным смещением (порогом) и принимается решениеоб истинности поступившей информации.Кроме передающих и приемных модулей в линиях дальней связи необходимы также ретрансляторы, в данном случае активные устройства с оптическимивходом и выходом, в которых осуществляется регенерация (восстановление)оптических сигналов по мере их затухания при прохождении по световоду.Практически ретранслятор представляет собой объединение приемного и передающего модулей, т.
е. оптоэлектронное устройство с двойным преобразованием энергии вида свет – электричество - свет. Развитие интегральной оптики ибистабильных оптических устройств обещает привести к созданию ретранслятора ВОЛС, непосредственно оперирующего с оптическими сигналами во всехзвеньях.Коммутационные элементыКоммутационные элементы – это элементы связи, представляющие собойпассивные оптические элементы, приборы и устройства, обеспечивающие объединение кабеля (линейного тракта) и активных приёмно-передающих модулейв единую систему передачи с произвольной структурной конфигурацией и с за-118данным алгоритмом распределения световых сигналов в этой системе.
Коммутационные элементы содержат несколько групп изделий.Оптические соединители предназначены для многократного сочленениярасчленения концов двух отрезков кабеля (соединители типа кабель-кабель)или конца кабеля с передающим или приёмным модулем (блочные соединители).Оптические разветвители представляют собой устройства, в которых излучение, подаваемое на вход (или входы), распределяется по заданному законумежду его выходами.Оптические коммутаторы – устройства, функционально реализующие полнодоступную схему с m входами и n выходами, т.е.
с m×n полюсами. В частномслучае при m = 1 устройство называют оптическим переключателем.Элементы ввода-вывода излучения выполняют функцию оптического согласования угловых апертур активных элементов (в первую очередь излучателя) иволокна.Волоконно-оптические линии связиСоздание световодов с малыми потерями, быстродействующих источниковкогерентного излучения и фотоприёмников сделало возможным практическоеприменение волоконно-оптических линий связи, быстро развивающихся вследствие следующих принципиальных особенностей.1. Малое линейное затухание и искажение сигнала. Волокна уверенно обеспечивают длину межретрансляционного участка в 30-50 км (что на порядокпревышает тот же показатель для коаксиальных металлических кабелей), в отдельных случаях - до 200 км и в перспективе - свыше 1000 км. Очень важно,что потери в линии практически не зависят от частоты сигнала.Непрерывно ищутся пути дальнейшего уменьшения затухания сигнала в волокне.
Известно, что неустранимые потери на релеевское рассеяние имеютспектральную зависимость вида λ-4, поэтому переход от λ = 1 к λ = 5-10 мкммог бы привести к снижению затухания до уровня менее 0,001 дБ/км. Уже достигнуты первые успехи в получении относительно чистых волокон (с потерями10-100 дБ/км) для диапазонов λ = 3-4 мкм (флюоридные стекла), λ = 5-6 мкм(халькогенидные стекла) и λ ≈ 10 мкм. Последний диапазон особенно интересен для систем сверхдальней связи, так как излучение λ = 10,6 мкм генерируется мощными высококогерентными СО2-лазерами.Имеются и другие пути уменьшения затухания. В литературе нередко указывается, что b = 0,16 дБ/км (λ ≈ 1,55 мкм) близко к теоретическому пределу.Но это неточно и справедливо лишь для кварцевых волокон, изготавливаемыхизвестными высокотемпературными методами.
При замене материала или технологии обработки ситуация может измениться. Так, для волокон из фторидабериллия коэффициент χрел может быть на два порядка меньше, чем для кварца,а значит, и предельное затухание уже при λ ≈ 1,55 мкм может быть снижено до10-2 дБ/км.119Не исключено, что овладение совершенной технологией изготовления волокон и свобода в выборе необходимых оптоэлектронных элементов вновь пробудят интерес к «забытым» конструкциям световодов на основе полых капилляров с жидкостным или газовым наполнением. Возможно, что это произойдетпри освоении дальнего ИК-диапазона.Появление принципиально новых видов волокон потребует нового решениязадачи минимизации дисперсии: отыскания спектральной области, в которойматериальная дисперсия минимальна, расчета оптимальных профилей распределения примесей по сечению и т.п.
В решении этой задачи, в том числе длятрадиционных кварцевых световодов, может оказаться полезным создание многослойных структур, позволяющих осуществить взаимную компенсацию волноводной и материальной дисперсии.Важным направлением является разработка оптических волокон с сохранением направления плоскости поляризации каналируемого излучения. Эти работы стимулируются развитием волоконно-оптических датчиков, однако послетого, как такие волокна будут созданы и освоены промышленностью, они несомненно, окажутся полезными и для связи: появится возможность дополнительного (пространственного) мультиплексирования передаваемой оптическойинформации.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
