Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Джерела випромінювання ВОЛЗ

Вимоги до джерел випромінювання. Призначення джерела випромінювання (ДВ) полягає в перетворенні електричного сигналу в оптичний (функція електрооптичного перетворення). Специфіка волоконно-оптичних систем передавання (ВОСП) висуває певні вимоги до ДВ. Основні з них зведені в таблицю 4.1 [11].

Наведені в таблиці вимоги є загальними і рідко сполучаються в одному приладі. Найбільш повно цим вимогам відповідають напівпровідникові ДВ на основі p-n- переходу: світлодіоди (СД); суперлюмінісцентні діоди (СЛД) і лазерні діоди (ЛД).

Таблиця 4.1 – Вимоги до ДВ

Параметр	Вимога
Довжина хвилі випромінювання	Відповідність одному з мінімумів втрат в оптичному волокні (850; 1300 і 1550 нм)
Вихідна потужність	Достатня для функціонування системи передачі (звичайно 0,1¼1,0 мВт)
Надійність	Великий термін роботи (105…106 годин.), стабільність параметрів
ККД (ефективність перетворення електрич-ної потужності в оптичну)	Максимальний ( 10%), мале тепловиділення
Температурна стабільність	Зміни довжини хвилі і вихідної потужності при коливаннях температури не повинні перевищувати припустимих значень
Ширина спектра випромінювання	Мінімальна, відповідно до системних вимог на хроматичну дисперсію
Ширина діаграми спрямованості випромінювання	Мінімальна для забезпечення малих втрат при введенні випромінювання в ОВ
Модуляція, швидкодія (широкосмуговість)	Простота здійснення внутрішньої (безпосередньої) модуляції з великою швидкістю (широкою смугою)
Розміри і маса	Малі, включаючи джерело живлення
Вартість	Низька
Економічність	Висока, простота здійснення масового виробництва

Принцип дії джерел випромінювання. Принцип дії напівпровідникових ДВ заснований на явищі електролюмінісценції – випромінюванні світла матеріалом, через який протікає електричний струм, викликаний електричним полем [11]. Випромінювання внаслідок електролюмінісценції (на відміну від теплового) характеризується порівняно вузьким спектром шириною 50...150 нм для СД і 0,1...5 нм для ЛД. Під спектром розуміють розподіл потужності випромінювання по довжинах хвиль.

Розглянемо докладніше електролюмінісценцію, що виникає при інжекції неосновних носіїв заряду в область напівпровідникового p-n- переходу.

Рисунок 4.3 – Принцип дії електролюмінісценції

При прямому зсуві (рис. 4.3) електрони зони провідності Е_п у найпростішому випадку рекомбінують з дірками, що знаходяться у валентній зоні Е_в, і в напівпровіднику виникає електромагнітне випромінювання, енергія якого h×n приблизно дорівнює ширині забороненої зони Е_з напівпровідника. Цей процес називається випромінювальною рекомбінацією. Довжина хвилі випромінювальної рекомбінації

мкм, (4.1)

де h – постійна Планка,

с – швидкість світла у вакуумі,

Е_з – ширина забороненої зони в електронвольтах.

Значення l для різних напівпровідникових з'єднань наведені в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 – Параметри напівпровідникових матеріалів для ДВ

З таблиці 4.2 випливає, що для першого вікна прозорості ОВ найбільш придатним матеріалом є арсенід галію (GaAs), а для другого і третього – арсенід індію (InGaAsР).

Типи джерел випромінювання. Два основних типи джерел випромінювання, що задовольняють перерахованим в таблиці 4.1 вимогам і використовуються в даний час, – світлодіоди і напівпровідникові лазерні діоди [11].

Як лазери, так і світлодіоди не є ідеально монохроматичними, вони випромінюють у деякому кінцевому діапазоні довжин хвиль. Цей діапазон відомий як ширина спектра випромінювання. Він визначається 50% рівнем потужності відносно максимуму, створеного центральною довжиною хвилі випромінювання.

Головна відмінна риса між світлодіодами і лазерними діодами – це ширина спектра випромінювання [30]. Світловипромінюючі діоди мають широкий спектр випромінювання 30-50 нм (рис. 4.4), у той час як багатомодові лазерні діоди мають значно більш вузький спектр 1-4 нм (рис. 4.5), а одномодові ЛД мають зовсім вузький спектр 0,1-0,4 нм (рис. 4.6). Обидва типи пристроїв дуже компактні і добре сполучаються зі стандартними електронними пристроями [11].

Рисунок 4.4 - Спектр випромінювання світлодіода

Рисунок 4.5 - Спектр випромінювання багатомодового лазера

Рисунок 4.6 - Спектр випромінювання одномодового лазера

Світлодіод ( СД) – це джерело спонтанного і некогерентного випромінювання, що виникає безпосередньо в області p-n- переходу і рівномірно поширюється в усіх напрямках. Тому інтенсивність випромінювання слабко залежить від кута спостереження. Таке ДВ називається ламбертовським. Така форма випромінювання створює завади при введені випромінювання в ОВ [11].

Таким чином, використання СД у ВОЛЗ поставило важливу задачу ефективного введення випромінювання в ОВ. Вона вирішується шляхом виготовлення спеціальних конструкцій світлодіодів:

– поверхневого випромінювання (П-СД);

– торцевого випромінювання (Т-СД).

Основна задача при створенні П-СД – наблизити вхідний торець ОВ до зони випромінювання. Конструкція такого СД наведена на рис.4.7. Тут випромінююча поверхня переходу обмежена шаром діелектрика (SiО₂). У n-області роблять травленням ямку і за допомогою епоксидной смоли вклеюють ОВ.

Рисунок 4.7 – Структура світлодіода поверхневого випромінювання:

1-епоксидна смола; 2-ОВ; 3-металеві контакти (електроди).

Для такої конструкції СД характерний практично ламбертовський розподіл інтенсивності випромінювання з напівшириною діаграми спрямованості (ДС) 60° при числовій апертурі NA близько 0,9. Втрати при введенні випромінювання П-СД в ОВ складають 16...20 дБ у залежності від апертури і типу волокна. Значення введеної потужності складає 20 мкВт і 2 мкВт, відповідно, для градієнтного багатомодового і одномодового ОВ.

Суперлюмінесцентний діод (СЛД) – це лазерний діод без дзеркал (без резонатора), первісне випромінювання таких приладів підсилюється тільки один раз. Тому вихідне випромінювання некогерентне, але на 90% поляризоване. У світлодіодів торцевого випромінювання ефективність введення в ОВ досягає 30%. Типові значення введеної в градієнтне ОВ потужності складає орієнтовно 50 мкВт, а в одномодове – 20 мкВт.

Лазерний діод. Принцип дії [11]. Лазер на основі напівпровідникового p-n-переходу називають лазерним діодом. Якщо основою роботи СД є спонтанна емісія, то в ЛД фотони генеруються за допомогою стимульованої (індукованої, змушеної) емісії. Це процес, при якому первинні фотони підштовхують збуджені атоми до генерації нових фотонів за рахунок стимулювання додаткових актів рекомбінації електронів і дірок. При стимульованому випромінюванні згенерований і вихідний фотони мають ту саму фазу і частоту (довжину хвилі). Результуюче випромінювання близьке до когерентного, а його спектр звужується до декількох нанометрів (близький до монохроматичного).

Принципова відмінність лазера від інших випромінювачів у тому, що він є генератором електромагнітних коливань оптичного діапазону. З радіотехніки відомо, що для перетворення підсилювача в генератор, необхідне виконання амплітудних і фазових умов самозбудження. Стосовно до лазера амплітудна умова означає, що підсилення в активній області напівпровідника повинне перевищувати втрати (на поглинання в матеріалі і на випромінювання в зовнішнє середовище). Фазова умова вимагає введення позитивного зворотного зв'язку. У лазері ця умова забезпечується розміщенням активного (підсилюючого світло) середовища у середину оптичного резонатора. У найпростішому випадку це резонатор типу Фабрі-Перо – два плоскорівнобіжних дзеркала.

Для виникнення стимульованої емісії необхідна інверсія населеності, тобто число збуджених електронів у зоні провідності повинно бути більше, ніж дірок у валентній зоні. У лазерах інверсію забезпечують за допомогою накачування. У напівпровідниковому лазері накачування здійснюється інжекцією (упорскуванням) струму високої щільності в активний шар. Коефіцієнт підсилення світла активним середовищем пропорційний щільності струму, що тече через нього. Характер випромінювання змінюється від спонтанного до стимульованого, коли підсилення перевищує усі види втрат (амплітудна умова генерації). Необхідний для цього струм інжекції зветься пороговим струмом I_п.

Технологічні аспекти. Найбільш важливим елементом ЛД є оптичний резонатор, що здійснює позитивний зворотний зв'язок (фазова умова генерації). У напівпровідниковому лазері резонатор формується у вигляді шару в матеріалі з меншим значенням показника заломлення. Таким чином, активний шар є по суті діелектричним хвилеводом (світловодом); оптична потужність частково відбивається усередину резонатора і частково випромінюється через бічні напівпрозорі грані.

Конструкція. На рис.4.8 зображена конструкція ЛД із керованим підсиленням (ЛД–КП). Матеріал з малою шириною забороненої зони звичайно має підвищений показник заломлення. Отже, обмеження оптичного поля у вертикальній площині є звичайним наслідком. У випадку ЛД-КП має місце і слабке бічне (горизонтальне) обмеження поля, оскільки область з високою щільністю струму (активна) має злегка підвищений показник заломлення. У випадку з керованим коефіцієнтом заломлення (ЛД-ККЗ) зони ліворуч і праворуч від активного шару мають знижений показник заломлення. Тут оптичне підсилення є більш сильним і зосередженим.

Рисунок 4.8 – Конструкція ЛД з керованим підсиленням

Типова ширина активної зони ЛД складає 5...10 мкм, товщина – 0,1...0,2 мкм, а довжина резонатора – приблизно 300 мкм. Торцеві (випромінюючі) грані лазерного кристала сколюються, або поліруються і являють собою напівпрозорі плоскорівнобіжні дзеркала (об'ємний резонатор Фабрі-Перо) (рис. 4.8).

Чотири основних типи лазерних діодів одержали найбільше поширення: з резонатором Фабрі-Перо (рис.4.8); з розподіленим зворотним зв'язком (рис.4.9 а); з розподіленим бреггівським відбиттям (рис.4.9 б); і з зовнішнім резонатором (рис.4.9 в) [30].

а)

б)

в)

Рисунок 4.9 – Типи лазерних діодів:

а) лазер з розподіленим зворотним зв'язком, РЗЗ або DFB лазер;

б) лазер з розподіленим бреггівським відбиттям, РБВ або DBR лазер;

в) лазер з зовнішнім резонатором, ЗР або ЕC лазер.

Лазерні діоди з резонатором Фабрі-Перо (FP лазери, Fabry-Perot). Резонатор у такому лазерному діоді утворюєься торцьовими поверхнями, що оточують з обох боків гетерогенний перехід. Одна з поверхонь відбиває світло з коефіцієнтом відбиття, близьким до 100%, інша є напівпрозорою, забезпечуючи, таким чином, вихід випромінювання назовні (рис. 4.8).

Лазерні діоди з розподіленим зворотним зв'язком (РЗЗ або DFB лазер) (рис. 4.9, а) і з розподіленим бреггівським відбиттям (РБВ або DBR лазер) (рис. 4.9, б). Резонатори у цих двох досить схожих типів лазерів являють собою модифікацію плоского резонатора Фабрі-Перо, у який додана періодична просторова модуляційна структура.

У DFB лазерах періодична просторова структура з’єднана з активною областю, а в DBR лазерах вона винесена за межі активної області. Періодична структура впливає на умови поширення і характеристики випромінювання. Так, перевагами DFB і DBR лазерів у порівнянні з FP лазером є зменшення залежності довжини хвилі лазера від струму інжекції і температури, висока стабільність одномодовості і практично 100% глибина модуляції. Температурний коефіцієнт для FP лазера складає близько 0,5...1 нм/°С, у той час як для DFB лазера близько 0,07...0…0,09 нм/°С. Їх недолік – складність технології.

Лазерний діод із зовнішнім резонатором (ЗР або ЕС лазер). У ЕС лазерах один чи обидва торці покриваються спеціальним шаром, що зменшує відбиття, і, відповідно, одне чи два дзеркала ставляться навколо активної області напівпровідникової структури.

На рис.4.9, в показаний приклад ЕС лазера з зовнішнім резонатором. Антивідбивне покриття зменшує коефіцієнт відбиття приблизно на чотири порядки, у той час як інший торець активного шару відбиває до 30% світлового потоку завдяки френелевському відбиттю. Зовнішне дзеркало, як правило, виконує функцію дифракційних решіток. Для поліпшення зворотного зв'язку між дзеркалом і активним елементом встановлюється лінза.

Збільшуючи чи зменшуючи відстань до дзеркала, а також одночасно розвертаючи дзеркало-решітку, що еквівалентно зміні кроку решітки – можна плавно змінювати довжину хвилі випромінювання, причому діапазон змін досягає 30 нм. У силу цього, ЕС лазери є незамінними при розробці апаратури хвильового ущільнення і вимірювальної апаратури для ВОЛЗ. По характеристиках вони схожі з DFB і DBR лазерами.

Напівпровідникові лазери VCSEL [15]. В останні роки в оптичних мережах зв'язку і мережах доступу активно впроваджуються напівпровідникові лазери з вертикальним випромінюючим резонатором, точніше: лазери поверхневого випромінювання з вертикальним об'ємним резонатором – VCSEL (vertical cavity surface – emitting Lasers) (рис.4.10). Особливість лазерів цього типу полягає в наступному. Стосовно площини переходу подвійної гетероструктури вісь цього резонатора розташовується вертикально. Звідси й назва лазера. В якості кожного з дзеркал використовується декілька шарів з напівпровідникового матеріалу, кількість, товщина і склад яких визначають довжину хвилі випромінювання лазерного діода. Основна особливість випромінювання таких лазерів полягає в тому, що у поперечному перерізі це випромінювання близьке до кругового. Така властивість дає можливість ефективного узгодження VCSEL лазерів з оптичним волокном без будь-яких погоджуючих пристроїв і тим самим різко знизити вартість лазера. Спочатку ці лазери призначалися для застосування головним чином в оптичних мережах. Вони випромінювали в діапазоні першого вікна прозорості (760-870 нм) і призначалися для використання в апаратурі кінцевого устаткування відносно низькошвидкісних систем передачі в оптичних мережах доступу. Лазерами VCSEL зацікавилися розробники апаратури для високошвидкісних ВОЛЗ, що працюють у діапазонах С та L, тобто у 1528-1625 нм. Про розробку такого лазера вже з’явилися повідомлення. На рис. 4.10 подано схему поперечного перерізу напівпровідникової структури лазера з вертикальним резонатором (VCSEL).

На європейських і американських конференціях з волоконно-оптичних систем і елементів ЕСОС і OFC за 2001-2009 роки можна було спостерігати наростання кількості доповідей, які присвячено лазерам VCSEL. Це свідчить про перспективність застосування лазерів такого типу як в оптичних мережах доступу, так і в магістральних ВОСП.

Рисунок 4.10 – Поперечний переріз напівпровідникової структури лазера VCSEL

Характеристики і параметри джерел випромінювання. Ват- і вольт-амперні характеристики. Основною характеристикою ДВ [11] є ВтАХ – залежність потужності випромінювання від сили струму прямого зсуву (струму накачування) – Р(I_н). Звичайно одночасно з ВтАХ вимірюються і ВАХ – залежність спаду напруги на переході ДВ від струму накачування – U(I_н).

1. ВтАХ-СД P(I_н) світловипромінюючого діоду наведена на рис.4.11. Аналітичний вираз ВтАХ має вигляд [11]

P = h_exthn(h_qI_н / q), (4.2)

де h_ext – ККД виводу випромінювання з приладу;

hn -енергія фотона з частотою n;

h_q – квантова ефективність люмінісценції (відношення числа збуджених носіїв, що дають внесок у випромінювання, до повного числа носіїв, що беруть участь у рекомбінації);

I_н / q – число носіїв заряду, що інжектуються в активну область в одиницю часу;

I_н – струм накачування;

q – заряд електрона.

Як видно з формули (4.2), залежність між потужністю випромінювання і струмом накачування в СД є лінійною (при сталому ККД h_q). Це основна перевага СД. У реальних приладах при великих струмах накачування (див. рис. 4.11) має місце нелінійність («загин») ВтАХ. Це пояснюється тим, що при зростанні струму інжекції збільшується частка безвипромінювальної рекомбінації. Вона особливо помітна для світлодіодів з InGaAs. Причинами нелінійності є рекомбінація зарядів на межі розділу гетеропереходів і витік (просочування) інжектованих зарядів через гетероперехід. Проте, більша частина ВтАХ у світлодіодів досить лінійна і їх використовують в аналогових системах передачі. Основні параметри СД, що витікають з ВтАХ, це I_макс і P_макс – максимальні струм накачування і потужність випромінювання, відповідно.

Рисунок 4.11 – ВтАХ світловипромінюючого діода П-СД типу

2. ВтАХ лазерного діода – Р_н(I_н) наведена на рис. 4.12.

Ця характеристика є істотно нелінійною внаслідок зламу поблизу порогового струму накачування I_п. При струмах накачування I_н < I_п має місце спонтанне випромінювання (світлодіодний режим), а при I_н > I_п джерело випромінювання переходить у лазерний режим роботи з його відомими перевагами.

Рисунок 4.12 – ВтАХ лазерного діода

У цій області існує крута залежність потужності випромінювання від струму накачування. Одночасно з'являється залежність порогового струму і потужності випромінювання від температури лазерного кристала. Це негативний наслідок лазерного режиму роботи. Тому, у передавальних пристроях ВОСП із ЛД обов'язково присутні ланцюги температурної і часової стабілізації потужності випромінювання. Отже, основні параметри ВтАХ ЛД – це пороговий I_п, максимальний I_макс струми накачування і максимальна потужність випромінювання Р_макс.

3. ВАХ СД і ЛД – U(I_н) вимірюється для визначення діапазону зміни напруги на переході ДВ в робочому інтервалі струмів накачування. З цієї характеристики знаходиться необхідний для проектування підсилювача параметр – динамічний опір r_дин = DU_н / DI_н у робочому режимі. Значення U(I_н) дозволяє розрахувати повний ККД ДВ h_п = UI_н / Р_опт.

4. Передатні характеристики (ПХ). Передатні характеристики ДВ вимірюються в часовій (імпульсний метод) або в частотній (частотний метод) областях [3]. Причому, параметри, що витікають з ПХ, надають інформацію, необхідну для проектування цифрових систем передачі, у той час як інші використовуються для розробки аналогових і когерентних систем передачі.

Імпульсний метод. При подачі на ЛД імпульсу струму накачування тривалістю t_і спостерігається два ефекти: 1) запізнювання оптичного імпульсу відносно електричного; 2) релаксація коливання на вершині оптичного імпульсу (так званий «дзенькіт»). На рис.4.13 наведено епюри імпульсів світла (а) і струму накачування (б).

Рисунок 4.13 – Епюри імпульса світла і струму накачування ЛД:

а) імпульс світла; б) струм накачування ЛД

Час запізнювання t_d розраховується за формулою

де час існування неосновних носіїв заряду;

І - імпульсне значення струму накачування;

І_см – струм попереднього зміщення;

І_п – пороговий струм.

Типове значення t_d дорівнює 2-8 нс.

Амплітуда релаксаційних коливань частоти f_r зменшується зі сталою часу Чим менші амплітуда і час релаксації коливань, то краща якість ЛД [11].

Частотний метод полягає у вимірі модуляційно-частотних характеристик (МЧХ) ДВ – залежності потужності змінної складової оптичного випромінювання P(ω) від частоти модулюючого сигналу ω малого рівня.

5. Діаграма спрямованості і модові характеристики. Діаграма спрямованості (ДС) випромінювання характеризує зменшення потужності випромінювання в залежності від кута між напрямком випромінювання і центральною оптичною віссю джерела. Більшість джерел для ВОЛЗ мають гостроспрямоване випромінювання, що дозволяє найбільш ефективно вводити його у волокно.

Ефективність введення випромінювання у волокно визначається як відношення потужності, яку введено у світловод (Р_в), до потужності, що випромінюється джерелом (Р_випр). Вона визначається у відсотках чи децибелах.

Ефективність вводу випромінювання джерела у волокно залежить від його діаграми спрямованості. Поверхневі випромінювачі є ламбертовськими. При ламбертовській ДС (рис. 4.14) потужність випромінювання змінюється пропорційно cos Θ, де Θ – кут між напрямком спостереження і нормаллю до поверхні випромінювання. Остання має рівномірну яскравість, але площа її проекції (на приймач) зменшується пропорційно cos Θ при збільшенні кута Θ, створюючи ламбертовський розподіл потужності. Півширину ДС визначають як кут Θ_0,5, за якого потужність випромінювання знижується удвічі від максимального значення. Потужність зменшується до 50% від максимальної при Θ = 60°, тобто для ламбертовського випромінювача повна ширина ДС становить 120^о. Промені від СД, що надходять на торець волокна поза кутом прийому, не будуть каналізуватися. Кут прийому для волокна з NA = 0,23 становить приблизно 14^о (повний кут у вершині конуса – 28^о). При цьому більша частина потужності світла від поверхневого випромінювача при вводі буде загублена.

Торцевий випромінювач концентрує своє випромінювання в просторі дещо краще, ніж поверхневий, що забезпечує більшу ефективність вводу.

Рисунок 4.14 – Конус світла з ламбертовського випромінювача типу поверхневого світлодіоду (а) і його діаграма спрямованості (б).

Діаграма спрямованості випромінювання лазерного діода не є симетричною, рис. 4.15. Світло ЛД сконцентровано усередині значно меншої області кутів, що робить ввід випромінювання у волокно більш простим і ефективним.

Рисунок 4.15 – Просторовий розподіл світла лазерного діода (а) і його діаграми спрямованості у вертикальній(║) та горизонтальній (┴) площинах (б)

Більша сторона випромінювальної площадки лежить у площині, паралельній переходові, і викликає більше розширення пучка світла. Менша сторона випромінювальної площадки лежить у площині, перпендикулярній переходові, і світло випромінюється в меншому інтервалі кутів. Когерентне світло, що випромінюється лазером, підпорядковується законам дифракції. З них випливає, що розходження пучка обернено пропорційно розмірам випромінювача. Цей результат справедливий тільки для когерентного світла і пояснює більший кут розходження пучка, що відповідає меншому розміру випромінювальної площадки, а менший кут розходження пучка відповідає її більшому розміру. Лазерний діод на рис. 4.15 має ширину діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності 10^о у площині, паралельній переходові і 35^о у площині, перпендикулярній переходові.

6. Спектральні характеристики. Під спектральними характеристиками (СХ) розуміють розподіл потужності випромінювання по довжинах хвиль [11].

Світлодіоди. На рис. 4.16 подана нормована СХ світлодіода. Його випромінювання спонтанне і некогерентне, тому спектр є суцільним. СД – типове шумове джерело, у його випромінюванні присутнє велике число просторових мод, на кожну з яких приходиться лише мала частка потужності (менше 1 мкВт).

За графіком СХ (рис. 4.16) визначають наступні три параметри: 1) довжину хвилі максимальної потужності випромінювання l_м; 2) ширину спектра Dl=l₂-l₁, що вимірюється за рівнем 0,5 Р (половинної потужності); 3) центральну довжину хвилі випромінювання l_ц=(l₁+l₂)/2. Якщо СХ симетрична відносно l_м, то в цьому випадку l_ц=l_м. Оскільки на практиці це не завжди виконується, частіше використовують параметр l_ц.

Рисунок 4.16 – Спектральна характеристика світлодіода

Лазерні діоди. Внаслідок стимульованої емісії лазерні діоди випромінюють світло, що близьке до монохромного, тобто Dl®0. Довжина хвилі піку випромінювання визначається параметрами матеріалу напівпровідника, у той час як тонка структура спектра залежить від лазерного резонатора. Типовий короткохвильовий (850 нм) лазерний діод з керованим підсиленням (ЛД-КП) з GaAlAs генерує одночасно 10...20 подовжніх мод з інтервалом близько 0,2 нм між модами і має Δλ =2...5 нм. Короткохвильовий (1300 нм) ЛД-ККП із InGaAs генерує 3...5 мод з інтервалом між модами 0,8 нм і Δλ =1…3 нм. Структура з керованим коефіцієнтом заломлення зменшує число мод. ЛД із розподіленим зворотним зв'язком має чистий спектр з однією лінією (модою), сусідні моди придушуються більше ніж на 25 дБ.

Типові спектральні параметри ЛД наведені в табл.4.3.

Якщо довгохвильовий ЛД накачується сталим струмом (I_н>I_п), то збуджується одна повздовжня мода. Однак, якщо здійснювати модуляцію гармонійним сигналом, то число повздовжніх мод збільшується, спектр розширюється. Це явище називають динамічним розширенням спектра. Його величина залежить від частоти модулюючого сигналу.

Таблиця 4.3 – Типові спектральні параметри ЛД

7. Шумові характеристики. У ЛД мають місце наступні види шуму:

1) квантовий; 2) струморозподілення; 3) внаслідок перескоку мод; 4) викликаний відбитим світлом.

1. Нижню межу шумів ЛД визначає квантовий (фундаментальний) шум, що є проявом статистичних властивостей процесу спонтанного випромінювання, яке є присутнім в умовах переважного стимулюючого випромінювання. Цей вид шуму має пік при граничному значенні струму накачування і періодично приймає максимальне значення на резонансних частотах МЧХ.

2. У лазерах, що генерують велику кількість повздовжніх мод, як, наприклад, у ЛД-КП, виникають шуми внаслідок модуляції інтенсивності світла, які викликані конкуренцією мод. Ці шуми мають назву шумів струморозподілення.

3. Шуми, що обумовлені перескоком мод, виникають у моменти переходу ЛД із режиму генерації m -ої моди на m + 1 (чи навпаки). Вони обумовлені обміном енергії між модами при перескоках.

4. Якщо в резонатор ЛД повертається частина світла в результаті відбиття елементами світлового тракту, то виникає шум, що викликаний флуктуаціями фази. Цей вид шумів має назву шуму, що обумовлено відбитим світлом.

Для кількісної оцінки шумів лазерів використовують параметр RIN (relative intensity noise) – відносна інтенсивність шуму.

Відзначимо, що RIN – це обмірювана середня в часі потужність шумів ДВ, віднесена до середньої потужності випромінювання і смуги частот, тому розмірність цього параметра 1/Гц. Часто цей параметр виражають у відносних одиницях.

На рис. 4.17 подано графік експериментальної залежності RIN від температури лазерного кристала. Нижня межа шуму на цьому рисунку являє собою квантовий шум, а шпилясті сплески – шум, що обумовлено перескоком на наступну моду при зміні температури.

Рисунок 4.17 – Графік експериментальної залежності RIN від температури
лазерного кристала

8. Температурні характеристики. Зміна температури (Т) істотно впливає на параметри ДВ всіх типів, але особливо сильно – на ЛД. Світлодіоди менш чутливі до коливань температури. Для СД потужність випромінювання зі зростанням температури знижується зі швидкістю близько 1% / °С. Довжина хвилі випромінювання збільшується з ростом Т зі швидкістю приблизно 0,5 нм /°С, при цьому одночасно збільшується ширина спектра.

Лазерні діоди [31] більш чутливі до зміни температури, ніж світлодіоди (рис.4.18). При збільшенні температури коефіцієнт перетворення струм-потужність зменшується так, що усе більший струм необхідний для початку генерації. Значення порогового струму стає великим (зростає зі швидкістю приблизно 1,5%/°С). Це відбувається внаслідок теплової генерації дірок у n-шарі й електронів у p-шарі. Вільні заряди, що виникли, рекомбінують з вільними електронами і дірками поза активним шаром, що зменшує кількість носіїв заряду, які досягають цього шару і, отже, зменшується число зарядів, необхідних для забезпечення підсилення і стимулювання емісії. Крім того, термічно згенеровані електрони і дірки в активному шарі безпосередньо рекомбінують безвипромінювально, тим самим зменшуючи інверсію населеності. Це також зменшує коефіцієнт підсилення активного середовища і збільшує граничний струм.

Розглянемо наслідки цього явища. При сталому струмі накачування вихідна потужність лазерного діода зменшується при збільшенні температури. Таке зменшення може бути неприпустимим, оскільки внаслідок цього збільшується кількість помилок у приймальному пристрої. Якщо потужність значно знизиться, то прийом може стати неможливим. Існують два методи подолання цієї проблеми: термоелектричне охолодження діода й автоматичне керування струмом зсуву, що компенсує зміну порога переходу до лазерного режиму. Термоелектричний охолоджувач – це пристрій на основі напівпровідникового переходу, що змінює свою температуру в залежності від струму, який протікає через нього. Лазерний діод встановлюють на охолоджувачі. Температура діода вимірюється за допомогою термістора, що є частиною схеми контролю. Остання автоматично регулює силу струму, що живить термоелектричний охолоджувач, який стабілізує температуру ЛД. В іншій схемі для стабілізації потужності вимірюється дрейф вихідної оптичної потужності за допомогою фотодетектора світла, що випромінюється з тильного боку лазерного діода. У схемі стабілізації порівнюється середнє значення фотоструму з опорним і виробляється сигнал, що керує струмом постійного зсуву ЛД.

Рисунок 4.18 - Температурна залежність ВтАХ лазерного діода

Довжина хвилі випромінювання лазера також залежить від температури. Це відбувається внаслідок залежності показника заломлення матеріалу від температури. Значення резонансних довжин хвиль і спектральна відстань між ними визначаються показником заломлення речовини, що заповнює резонатор. При варіаціях температури змінюється значення показника заломлення хвилеводного шару, що приводить до зсуву центральної довжини хвилі емісії і до невеликої зміни в розташуванні подовжніх мод багатомодового ЛД. Типове зрушення довжини хвилі складає декілька десятих долей нанометра на градус (температурний коефіцієнт дорівнює приблизно 0,3 нм/ ). У більшості випадків ці зрушення довжини хвилі несуттєві, оскільки вони малі (кілька нанометрів) і тому значення відгуку приймача не змінюється при такому невеликому зрушенні. Однак існують випадки, коли зрушення довжини хвилі може мати серйозні наслідки. Якщо система працює поблизу довжини хвилі нульової дисперсії волокна, то зрушення довжини хвилі на 5...10 нм значно збільшує дисперсію і зменшує ширину смуги пропускання системи. Інший приклад – гетеродинні приймальні системи вимагають надзвичайно високої стабільності довжини хвилі, і для таких систем температурні зрушення довжини хвилі неприпустимі навіть на частки нанометра.

9. Швидкодія джерела випромінювання. Експериментально вимірюваним параметром, що характеризує швидкодію джерела випромінювання, є максимальна частота модуляції. Попередньо встановлюються пороги на рівні 0,1 і 0,9 від сталого значення потужності світлового випромінювання при низькочастотній модуляції прямокутними імпульсами струму. По мірі зростання частоти модуляції, тобто при переході на менші масштаби по часовій шкалі, форма світлових фронтів стає більш пологою. Для опису фронтів вводять часи наростання t_rise і спаду t_fall потужності випромінювання, що визначаються як часові інтервали, за які відбуваються наростання від 0,1 до 0,9 і, навпаки, спад світлового сигналу від 0,9 до 0,1. Максимальна частота модуляції визначається як частота вхідних електричних імпульсів, при якій вихідний оптичний сигнал перестає перетинати граничні значення 0,1 і 0,9, залишаючись при цьому у внутрішній області. Для світлодіодів ця частота може досягати 200 МГц, а в лазерних діодів – значно більше - декількох ГГц. Часи наростання і спаду надають інформацію про смугу пропускання Δw. Якщо припустити, що вони рівні між собою (а це не завжди так), то смугу пропускання можна визначити по формулі: Δw = 0.35/t_rise.

10. Деградація і час роботи на відмову. При експлуатації оптичного передавача його характеристики поступово погіршуються – падає потужність випромінювання, і, зрештою, він виходить із ладу. Це пов'язано з деградацією напівпровідникового матеріалу. Надійність напівпровідникового випромінювача визнається середньою тривалістю роботи на відмову або інтенсивністю відмов.

11. Термін служби і надійність [9]. Зі зростанням часу роботи ЛД значно зменшується його вихідна потужність при незмінному струмі. Проблема довговічності і надійності ЛД залишається в даний час дуже складною і ще не вирішеною. Поки не створено промислові лазери з високим ККД і терміном служби, який перевищує значення, необхідні для використання у волоконно-оптичних системах передавання (10⁵...10⁶ год). На рис. 4.19 показані зміни характеристики P(I) ЛД при безперервній роботі (0, 4000, 6000, 8000, 10000 год) з випромінюваною потужністю 5 мВт. Тим не менше, розвиток цієї області йде швидко й у багатьох лабораторіях вже перевищено термін служби напівпровідникових лазерів 10⁶ год і більше.

Рисунок 4.19 - Ват-амперна характеристика ЛД при безперервній роботі