Волоконно-оптические линии связи

Свет лазера и светоизлучающего диода окажется таким образом промодулированным по интенсивности сигналом, воздействующим на ток диода. Существенным различием между этой непрерывной работой светового источника и импульсным режимом являртся то, что при импульсной работе средняя световая мощность очень мала по сравнению с пиковой мощностью . При непрерывной работе (или “в режиме непрерывного излучения”) средняя световая мощность составляет примерно половину пиковой мощности, т. е. она того же порядка, что и максимальная мощность.

Здесь необходимо указать на следующее: бинарный сигнал (например, выходной сигнал импульсно-кодового модулятора согласно) едва ли можно назвать импульсной последовательностью с точки зрения обработки сигнала; наоборот, относительно модуляции передатчика его нужно рассматривать как сигнал непрерывного излучения. Его средняя световая мощность равна точно /2, так как обычно длина и вероятность появления сигналов 0 и 1 одинаковы.

В световодной технике связи двоичный сигнал играет исключительную роль, потому что как светоизлучающие диоды, так и лазеры имеют более или менее нелинейную зависимость мощности от тока. Двоичные сигналы к этому нечувствительны, а непрерывные искажаются из-за нелинейности.

Таким образом, нужно следить за тем, чтобы, как правило, передача сообщении (непрерывными и даже двоичными сигналами) шла только с помощью световых передатчиков, которые пригодны и для непрерывного режима работы.

6.2 ТИП ИСТОЧНИКА ОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ

Первые полупроводниковые лазеры не могли работать в непрерывном режиме, во всяком случае при комнатной температуре. Причиной этого были большие потери мощности.

Лазерный эффект начинается сразу, как только индуцируемая световая мощность станет больше, чем потери на световом пути в объемном резонаторе. Необходимая для этого плотность тока возбуждения в активном элементе лазера, называемая порогом генерации лазера, ниже порогового тока: лазер еще не генерирует стимулированного излучения. Эта пороговая плотность тока зависит от внутренней структуры полупроводникового лазера в окрестности р-n перехода, особенно от применяемых материалов и концентрации примесей.

В первой и самой простой конструкции, так называемом гомолазере, рекомбинация носителей заряда и генерация света происходили в довольно широкой области вокруг р-n перехода. Поэтому потери на ослабление в объемном резонаторе были очень велики. Для превышения порога генерации должны были протекать значительные токи, которые приводили к сильному нагреву лазерного диода. Такие диоды можно было использовать в лазерах только в импульсном режиме. Существенное уменьшение пороговой плотности тока и потерь мощности было получено в результате введения простой и двойной гетероструктур. С этой целью р-n переход имеет с одной или двух сторон дополнительные слои, в силу чего благодаря свойствам их материала и примесям толщина электрически и оптически активной зоны лазерного диода сильно сужается. Этим ограничивают электрический диапазон возбуждения и одновременно рекомбинацию носителей заряда и генерацию света. Кроме того, путем изменения показателя преломления в области р-n перехода достигается определенный ход лучей света и в результате этого — уменьшение оптических потерь.

С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые позволили получить импульсный режим при комнатной температуре.

Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт, правда, в предположении хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.

6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без объемного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера, применяются для конструирования светоизлучающих диодов. При этом индуцируемое в результате рекомбинации носителей зарядов световое излучение распространяется во всех направлениях и задерживается в элементе только вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или из-за неизбежных контактных поверхностей электродов и поверхностей охлаждения.

В простейшем случае здесь можно использовать и выводить излучение, распространяющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются краевыми излучателями. Если устроить в электроде окно, то можно направить излучение перпендикулярно плоскости активной зоны и получить поверхностный излучатель.

Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для светоизлучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.

6.4 СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее гарантированное для указанного времени значение даже за счет повышения тока в диоде.

Если оптический передатчик, например на узле связи, должен проработать без замены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок службы около 100000 ч (считая продолжительность года равной приблизительно 10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к действительному. Хотя для них редко называют гарантийные сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожалению, для, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970 г. в лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны различные структуры и геометрии, приемлемые для конструирования и изготовления лазеров непрерывного излучения, работающих при комнатной температуре.

Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких условиях (как правило, при очень высоких температурах, ). На основании этого судят об ожидаемом сроке службы в нормальных условиях. При этих предположениях в конце 70-х годов многими изготовителями предсказывались ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 ч, а в отдельных случаях — свыше 1 млн. ч. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует гарантия наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.

Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют оптимистические прогнозы.

Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться от привычной в настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую мощность.

6.5 ЛАЗЕР ИЛИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?

В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом. Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.

Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов источников с годами она будет, естественно падать, но все же светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле лазера со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь необходимой для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световодами с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно большую часть излучаемого света.

Типичные параметры полупроводниковых источников света.

Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции. Светоизлучающие диоды прежде всего “медлительнее” лазеров. В зависимости от конструкции имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть модулированы частотами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде более высокой выходной мощности (см. табл.).

Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот.  Это свойство может играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в минимальных пределах.

Глава седьмая

СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ

7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию (передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).

Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника, которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в акустические или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы нет. Все существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет электрического тока.

На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен, но еще не готов к техническому воплощению.

Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах). Этот восстановленный электрический сигнал вторично используют для управления лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает усиленный световой сигнал.

7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ

В оптических системах связи, в которых на выходе каждого отдельного световода должен быть установлен чувствительный фотоприемник, вводятся два прибора которые могут, быть выполнены методом микроэлектронной технологии. Речь идет о p-i-n фотодиоде и лавинном фотодиоде. Оба используют внутренний фотоэффект, который проявляется в этом специальном случае непосредственно в окрестностях р-n перехода.

7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ

Понятие, которое имеет решающее значение для функционирования каждой системы связи, — помехи.

Насколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети питания или отказов каких-либо элементов, встречающиеся в каждом приборе или устройстве, настолько же не одинаковы помехи, вызванные электромагнитными полями. Это поля, создаваемые плохо экранированными электродвигателями, радиоизлучениями автомобилей, часто вызывающими сильные помехи в радио или телевизионной аппаратуре, и т. ц.

В условиях отсутствия шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать длину усилительного участка. Требуется только соответственно увеличивать мощность сигнала, поступающего на вход приемника. Но шум существует и уменьшает чувствительность каждого приемника и возможности каждого усилителя. Если мощность полезного сигнала на входе меньше мощности помех, то сигнал перекрывается ею и не может быть выделен приемным устройством или усилен. Даже когда сигнал и помехи имеют почти одинаковую мощность, шум становится довольно значительным. Причины и источники шумна разнообразны. К ним относятся корпускулярные шумы электрического тока (дробовой шум), температурные шумовые процессы, шумы квантования световых пучков. Источник света сам вносит в систему шумовые составляющие, добавляют их также фотодиод и оконечный электронный усилитель. Если используется лавинный фотодиод, то возникают дополнительные шумовые составляющие из-за эффекта умножения в этом элементе.

Если рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то можно установить, что различные шумовые источники проявляют себя в нем тем или иным способом. Вместо чистой формы сигнала, которой модулировалась выходная мощность светового сигнала передатчика, на вход приемника поступает сигнал, амплитуда которого случайным образом более или менее меняется вблизи данного значения. Средние значения соответствуют истинной форме переданного сигнала, но мгновенные значения отклоняются от заданного вследствие влияния помех. Первоначальный сигнал можно лишь приблизительно выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.