Определение модуляции и классификация видов

             (4.12)

где Uд – напряжение на диоде,   - амплитуда модулирующего импульса. Кроме того, наблюдается время нарастания импульса t_НР (рисунок 4.8).

Общее время  включения СИД при импульсной модуляции составит

             (4.13)

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

4.2.2 Модуляционные характеристики  полупроводникового  лазера

Частотная характеристика модуляции ППЛ имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую спонтанным временем жизни фотона в активном слое внутри резонатора [8, 24]:

             (4.14)

где   - пороговый ток лазера,   - ток модулирующего сигнала.

Частотные характеристики модуляции ППЛ зависят и от добротности резонатора

             (4.15)

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

Кроме того, выбор величины тока смещения относительно порогового позволяет изменять полосу частот модуляции (рисунок 4.9).

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 (рисунок 4.10).

Рисунок 4.9 Частотные характеристики модуляции  ППЛ

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

             (4.16)

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". 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".

Рисунок 4.10 Импульсная модуляция ППЛ

Рисунок 4.11 Динамическое уширение спектра лазера при модуляции

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.

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 (рисунок 4.11) 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.  

4.2.3 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.

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 [6, 10].

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.  

4.2.4 Схемотехнические  решения для прямой  модуляции излучения  СИД и ППЛ

Простейшая  схема (рисунок 4.12) 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 4.12 Простейшая схема модулятора

Схема модулятора с логическим затвором и предварительным смещением (рисунок 4.13) позволяет обеспечить высокие скорости передачи сигналов с двумя уровнями передачи.

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

Рисунок 4.13 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 (рисунок 4.14). Схема стабилизирует излучение ППЛ.

Рисунок 4.14 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 [28, 68]: светодиодными или лазерными  модулями и интегрированными передающими  модулями.  

4.2.5 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 рисунке 4.15 приведен пример схемы модуля. Схема требует применения навесного монтажа, управления охладителями и формирователя тока модуляции.

Рисунок 4.15 Структурная схема лазерного  модуля

В таблице 4.1 указано назначение выводов.

Таблица 4.1 Назначение выводов на корпусе лазерного  модуля

Рисунок 4.16 Схема передающего интегрированного модуля

Интегральные  передающие модули вырабатывают излучение  с длинами волн 1510 ... 1564 нм. Они  состоят из лазера со схемой управления, системы автоматической регулировки  уровня мощности, устройства наблюдения за лазерным лучом и сигнализатора  неисправности.

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

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

Эти интегральные модули не требуют навесных элементов. Для их применения нужно подвести только напряжение питания.

На рисунке 4.16 представлен пример схемы передающего  интегрированного модуля.

В таблицах 4.2 и 4.3 приведены назначение выводов  и характеристики [68].

Таблица 4.2 Назначение выводов интегрального модуля