Источники излучения и передающие оптоэлектронные модули волоконно-оптических систем связи

Важным параметром DFB-лазера является коэффициент подавления моды (MSR). При проектировании таких типов полупроводниковых лазеров основная цель состоит в ослаблении побочных продольных мод и получении максимально возможной мощности доминантной моды . Можно ожидать значение MSR на уровне > 30 дБ для DFB-лазера непрерывного излучения. Наш интерес здесь в том, чтобы передать световой сигнал лазером с одиночной и узкой спектральной линией (т.е. с доминантной модой). При идеальных условиях от таких лазеров можно ожидать ширины полосы на уровне половинной мощности (FWHM) порядка 0,2 нм (порядка 25 ГГц). Если DFB-структура для улучшения ширины линии, генерируемой лазером, комбинируется со структурой MQW (cтруктура со множественными квантовыми ямами), то ширина линии может быть уменьшена до сотен кГц (см. [4.3], с. 103). Если же ширина линии становится больше, возрастает хроматическая дисперсия (см. гл. 6). Это в высшей степени нежелательно для систем со скоростями передачи выше 1 Гбит/с. DFB-лазеры имеют самую узкую спектральную линию излучения среди всех известных типов лазеров на рынке. Они практически всегда используются в системах, работающих с длинными и сверхдлинными пролетами секций.

DFB-лазер — очень дорогое устройство, хотя и жизненно важное для ВОСП. Чтобы быть уверенным в оптимальной работе DFB-лазера и мониторить его, можно добавить несколько компонентов при его сборке. Например, фотодиод (PIN-диодный приемник) для мониторинга его выхода; термоэлектрический охладитель (ТЕС), который управляет температурой интегральной схемы лазера; схему обратной связи, управляющую его выходом и поддерживающую желаемую частоту. Идеальная температура ИС лазера равна 25°С.

Схема DFB-лазера представлена на рис. 6

 

 

 

 

Рис. 6 Схема DFB-лазера.

 

 

DFB-лазеры с внешним модулятором

До сих пор мы изучали, или, по крайней мере, упоминали, оптические источники с непосредственной модуляцией, так называемой модуляцией интенсивности. Принципиально, все, что мы делаем - это включаем и выключаем лазер, где включение соответствует двоичной 1, а выключение двоичному 0. Фактически же лазер никогда не выключается полностью. Эквивалент такого выключения - это точка на рабочей характеристики лазера, чуть выше порога (т.е. при очень малой выходной мощности) или чуть ниже порога. Установка такого порога важна для уменьшения «чирпа» (линейной частотной модуляции - ЛЧМ), который будет рассмотрен ниже.

Другой подход в формировании двоичных 1 и 0 - это использовать оптический модулятор. Концепции использования непосредственной модуляции и оптического (внешнего) модулятора представлены на рис. 7 Заметьте, что оптический модулятор расположен между лазерным источником несущей волны (CW) и выходным интерфейсом волокна. Источник CW -это источник света, который всегда включен, т.е. находится в рабочем состоянии с определенным заданным уровнем мощности на выходе.

Рис.7 Иллюстрации концепций лазерного (DFB) передатчика с непосредственной модуляцией (а) и того же лазера, использующего внешний модулятор (б).

Оптические модуляторы являются интегральными устройствами, спроектированными для управления уровнем непрерывной оптической мощности, передаваемой оптическому волноводу. Они работают как затворы; затвор закрыт для двоичного 0 и открыт для двоичной 1. Обычно выделяют три типа модулятора:

1 - Маха-Цендера (M-Z);

2 - c использованием электрической рефракции;

3 - c использованием электрической абсорбции (полупроводниковые) MQW.

Модулятор Маха-Цендера (М—Z) представляет собой интерферометр, использующий волноводы на основе ниобата лития LiNbO₃ или конфигурацию направленного разветвителя. Волноводы M-Z-модулятора имеют конфигурацию Y-разветвителя. Коэффициент преломления такого материала как LiNbO₃ может изменяться под действием приложенного внешнего напряжения. В отсутствие внешнего напряжения, оптическое/электромагнитное поле в двух рукавах М—Z-модулятора (на выходе модулятора) имеет одинаковый сдвиг фаз и интерференция синфазна. Дополнительный фазовый сдвиг, вносимый в одном из рукавов за счет изменения коэффициента преломления, вызванного приложенным напряжением, нарушает эту син-фазность интерференционной картины и уменьшает мощность сигнала передатчика на выходе. В частности, наблюдается полное отсутствие света на выходе, если вносимый фазовый сдвиг между двумя рукавами будет равен р, учитывая противофазный характер интерференции. В результате такого механизма действия, электрический поток бит, поданый на модулятор, создаст оптическую копию потока бит на выходе.

Характеристики внешнего модулятора численно описываются так называемым коэффициентом ослабления сигнала (ER) — отношением уровней сигнала при включенном и выключенном состояниях и модуляционной шириной полосы. Модуляторы на основе ниобата лития обеспечивают ER порядка 20 (13) дБ и могут осуществлять модуляцию потока со скоростями до 75 Гбит/с.

Модуляторы изготавливаются  из электрооптических полимеров. На них достигнута модуляция потоков  с предельной скоростью порядка 60 Гбит/с. Такие модуляторы часто  интегрируются с электронными схемами привода (драйверами) модулятора.

Другой тип модулятора изготавливается на основе полупроводников. К ним относятся модуляторы, использующие электроабсорбцию. Эта технология использует эффект Франца-Келдыша, в соответствии с которым ширина запретной зоны полупроводника уменьшается, если к нему прикладывается поперечное электрическое поле. В этом случае прозрачный полупроводниковый слой начинает абсорбировать (поглощать) свет, когда ширина его запретной зоны уменьшается под действием приложенного внешнего напряжения. Это происходит в тот момент, когда энергия фотона превысит энергетический барьер запрещенной зоны. Учитывая, что эффект электроабсорбции проявляется сильнее в MQW-структурах, они и выбираются для использования в таких модуляторах. Для них коэффициент ослабления сигнала ER составляет 15 дБ и выше при напряжении смещения порядка 2 В, а реализуемая при этом скорость передачи достигает нескольких Гбит/с. Так, при скорости 5 Гбит/с была достигнута передача с низким уровнем «чирпа». Этот тип модуляторов используется в ВОСП при скоростях передачи порядка 20 Гбит/с, а в некоторых экспериментах были продемонстрированы скорости до 60 Гбит/с.

Повторяем, что основная цель использования модулятора состоит  в уменьшении уширения импульса, вызванного чирпом. Многие из этих модуляторов интегрированы с ИС того же передатчика, которым они управляют.

 

Лазер с вертикальной резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL)

 

Для функционирования лазеров типа MLM (Фабри—Перо), SLM и DFB требуется ток порядка нескольких десятков миллиампер. Кроме того, его выходной (расходящийся) луч, подаваемый на стык с круглым оптоволокном, имеет в поперечном сечении эллипс с коэффициентом сжатия 3:1. Такой луч плохо стыкуется с цилиндрической формой луча, который сердцевина оптоволокна способна принять. Нецилиндрический луч часто требует дополнительной оптики, чтобы состыковать его с круглым поперечным сечением сердечника оптоволокна. Лазер типа VCSEL излучает столь желательный круговой луч. Сравнение геометрий пучков этих двух типов излучения можно провести на основе рис. 8

Рис. 8. Сравнение эллиптического выходного луча СИД и лазеров типа MLM, SLM и DFB с круговым выходным лучом, характерным для лазера типа VCSEL.

 

Лазер типа VCSEL представляет собой вертикальную структуру из ряда слоев p-типа, активной области, и ряда слоев n-типа. Число слоев зависит от желаемой длины волны излучения. Указанные наборы слоев охватывают отражатели Брэгга, которые изготавливаются из комбинации In+Ga+As+(Al или Р). Например, комбинация In+Ga+As+Р используется для лазеров в окне длин волн 1310-1550 нм. Требуемые слои изготавливаются методом эпитаксиального выращивания на основе планарной технологии. Лазеры типа VCSEL работают в одномодовом (продольная мода) режиме, используя резонатор исключительно малой длины (порядка 1 мкм), для которого разнесение мод превышает полосу частот усиления. Они излучают свет в направлении перпендикулярном плоскости активного слоя, аналогично тому, как это делается в СИД с излучающей поверхностью. Работа такого лазера в одномодовом (поперечная мода) режиме может быть реализована путем уменьшения диаметра VCSEL до 2-3 мкм. Выходная мощность и ширина полосы лазеров типа VCSEL, как правило, ниже, чем аналогичные показатели DFB-лазеров, и VCSEL находит применение как в ВОСП, так и в локальных сетях. Их стоимость относительно низка по сравнению с DFB-лазерами, например. Другим применением VCSEL является лазерные массивы, где каждый лазер работает на своей длине волны, что идеально подходит для WDM-систем.

Схема структуры VCSEL-лазера приведена на рис. 9

 

 

Рис. 9 Схема структуры VCSEL-лазера

Объемное изображение  диаграммы излучения, из которого наглядно видно круговое сечение этой диаграммы  изображено на графике ниже.

 

 

Частотно-модулированный импульс (чирп)

 

Понятие ЧМ импульса

ЧМ импульс, или чирп, может ограничить характеристики систем передачи на длине волны 1550 нм даже при использовании DFB-лазеров с большим (порядка 40 дБ) значением MSR (коэффициента подавления моды). Как уже отмечалось раньше, модуляция интенсивности (непосредственная модуляция) в полупроводниковых лазерах неизбежно сопровождается фазовой модуляцией (вызванной изменением, за счет индуцируемых носителей, показателя преломления), управляющей коэффициентом уширения спектральной линии. Оптические импульсы со сдвигом фазы, зависящим от времени, называются чирп-импульсами. В результате такого частотного чирпа, наложенного на оптический импульс, его спектр существенно уширяется. Это спектральное уширение влияет на форму импульса в волокне, учитывая дисперсию волокна, и приводит к ухудшению показателя BER в системе.

 

 

Подробное обсуждение ЧМ сдвига

Говорят, что импульс  подвержен ЧМ сдвигу, т.е. является чирп-импульсом, если его несущая частота изменяется во времени. Эти частотные изменения соотносятся с производной фазы по времени. Частотный сдвиг, зависящий от времени, называют чирпом. В литературе можно прочитать о параметре С. Этот параметр регулирует линейный частотный чирп, наложенный на такой импульс. Чирп-импульсы могут уширяться и сжиматься. Уширение импульса рассматривается, конечно, как нежелательное, принимая во внимание характеристики дисперсии. Уширение импульса приводит к распространению энергии импульса на следующую битовую позицию и, если такое уширение достаточно велико, может вызвать появление ложного бита 1, что приведет к ошибке, если на этой битовой позиции должен был быть бит 0.

Параметр С может  принимать как отрицательные, так  и положительные значения. Показатель BL — произведение ширины полосы частот на расстояние (размерность Гц×м) - может существенно уменьшиться при отрицательных значения С. Это происходит из-за существенного уширения импульса лазерного диода. При использовании непосредственной модуляции для полупроводникового лазера параметр С, обычно отрицательный, равен -6 для длины волны 1550 нм. При этом условии показатель BL < 100 (Гбит/ с)×км, и дисперсия волокна ограничивает скорость передачи до величины 2 Мбит/с на длине пролета L в 50 км. Эту проблему можно решить путем использования волокна со сдвигом дисперсии, или же путем использования схемы компенсации дисперсии. Частотный чирп в значительной степени устраняется при использовании внешнего модулятора. Причина в том, что источник света, а это, как правило DFB-лазер, все время включен. В результате, следует признать, что при непосредственной модуляции, влияние чирпа становится очевидным и, более того, деструктивным .

 

Параметры импульсов, характеризующие эффект ЧМ сдвига

На рис. 10 приведена типичная форма импульса на выходе полупроводникового лазера с непосредственной модуляцией. По оси у отложена амплитуда импульса, по оси х — время t. На этом рисунке показаны два важных параметра импульса: начальное нарастание импульса и выброс на вершине (обусловленный чирпом). Тот факт, что характеристики пика последующего импульса отличаются от характеристик пика начального импульса, тоже обусловлен действием чирпа. Вершина каждого следующего импульса будет случайным образом отличаться от предыдущего.

В системах передачи исключительно  важным параметром является время нарастания импульса. Оно определяет предел максимальной скорость передачи. Установление порогового уровня для системы также влияет на ее характеристики. Он должен быть установлен как можно ниже, но так, чтобы не нарушить условия генерации лазера. Это влияет на коэффициент ослабления сигнала, который должен быть максимально большим. Этот коэффициент представляет собой отношение максимальной амплитуды импульса к пороговому уровню.

Рис. 10. Параметры импульса лазера

Потери мощности

Агравал перечислил пять физических явлений, которые, наряду с дисперсией, приводят к ухудшению отношения сигнал/шум на удаленном конце (в точке приема) в высокоскоростных ВОСП (со скоростью больше 500 Мбит/с). Таких источников — шесть:

1. Модальный шум.

2. Дисперсионное уширение.

3. Шум от распределения  мощности по модам.

4. Частотный чирп.

5. Обратная связь и шум от  отражения.

6. Коэффициент ослабления сигнала.

Модальный шум приводит к искажениям сигнала, характерным для ВОСП, использующих многомодовое волокно. Они вызваны интерференцией между различными направляемыми модами многомодового волокна. Она проявляется как ухудшение отношения сигнал/шум на дальнем (приемном) конце, вызванное флуктуацией амплитуды принятого сигнала. Это объясняет, почему большинство многомодовых систем использует в качестве источников СИД, а не ЛД (просто потому, что спектр СИД шире).

Дисперсионное уширение может ограничить произведение BL. Оно влияет на характеристики приемника по двум причинам. Первая из них обсуждалась раньше. Мы отмечали, что уширение импульса может распространить его действие на последующий битовый интервал и привести к межсимвольной интерференции (ISI).

Вторая причина в том, что  пиковая энергия импульса уменьшается  в результате уширения в целом. В результате приходится увеличить уровень входного сигнала на приемной стороне, чтобы компенсировать влияние этого фактора. Для численного подсчета результатов действия этих причин, определим величину потери мощности :