Источники оптического излучения для ВОСП. Назначение и требования к источникам. Классификация. Конструкция. Характеристики

Оптические системы передачи, интегральные и оптические сети

Источники оптического излучения для ВОСП. Назначение и требования к источникам. Классификация. Конструкция. Характеристики.

Источник оптического излучения – прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения. Требования - Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения. - Узкая спектральная полоса излучения и эффективный ввод излучения в волокно. - Направленность излучения. - Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения. - Совместимость с оптической СП, т.е. длина волны излучения должна соответствовать окнам прозрачности ОВ. - Когерентность излучения. – Миниатюрность. - Высокая технологичность и низкая стоимость. - Длительный срок службы (не менее 10⁵ часов). - Высокая устойчивость к различным перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным). - Высокая мощность излучения и эффективный ввод излучения в ОВ.

Классификация в раздатке. Светодиод (СИД) представляет собой п/п прибор с p - n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Имеет широкий спектр излучения, используется на ЛВС. Малая масса и габариты. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД. В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в п/п подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод. В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои п/п материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой. Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запр.зоны активного слоя. При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности или из торца. Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Лазер – прибор, генерирующий опт. когерентное излучение на основе эффекта вынужденного стимулированного излучения. Излучаемая лазером э/м волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны.

В присутствии э/м излучения (фотонов опр. энергии) с подходящей длиной волны в полупроводнике могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов. При переходе между состояниями электронов с энергией E v и Е с излучение имеет частоту, т.е. в свободном пространстве наблюдается волна. При взаимодействии излучения с атомами вещества, находящимися в нижнем энерг.состоянии, может произойти поглощение квантов излучения (фотонов) и атомы перейдут на верхний энергетический уровень. Спонтанное излучение фотонов может происходить случайно. Когда во взаимодействии с излучением принимает участие возбужденный атом, т.е. находящийся в верхнем энерг. состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти стимулированное излучение. Оно имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим излучением.

-обладает монохроматичным излучением (один цвет), - используются на ГТС, магистральных и внутризоновых сетях, - узкий спектр излучения (2-0,1нм), - высокая мощность (около 100мВт), - срок излучения (10⁴ – 10⁵ часов), - по габаритам гораздо больше, чем СИД.

Харак теристики: 1) мощность излучения опт.сигнала (дБм) 2) Ватт - амперная характеристика - это зависимость мощн.излучения от тока накачки. Нелинейность хар-ки СИД обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации носителей я р-n переходе из-за ограниченного их числа. 3) Диаграмма направленности излучения показывает распределение мощности в пространстве. Для СИД:φ=120°, для ЛД: φ=7-9°. 4) ширина полосы излучения 5)Быстродействие источника определяет время преобразования эл. сигнала в оптический. Быстродействие xaрактеризуется через время нарастания - время в течение, кот. амплитуда имп-са изменяется от уровня 0,1до 0,9 от макс. мощности. Для СИД: >5нс, для ЛД: =0,15 нс.

2. Лазерные диоды. Назначение. Принцип действия ЛД с резонатором Фабри-Перо. Характеристики ЛД. Смотри вопрос №1. ЛД с ФП: Название "двойная гетероструктура" обозначает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам п/п, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера. П/п слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. В нем с помощью источника эл. тока создается инверсная населенность. Внутр. поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала. При малых токах накачки в активной области возникает спонтанное излучение. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны, и большая их часть покидает прибор через полупрозр.зеркала. Лишь единицы из них отражаются обратно и проходят строго в плоскости активного слоя к противопол.зеркалу. Сталкиваясь с возбужденными атомами, они отдают им кванты энергии и вызывают вынужденную рекомбинацию электронов и дырок. Вновь возникают фотоны, которые будут согласованы между собой и вызвавшими их фотонами. При малых токах накачки количество вынужденных фотонов мало. При увеличении тока возрастает инверсная населенность и при N2 > N1 может произойти полное поглощение спонтанного излучения вынужденным. Ток, при котором это происходит, называется пороговым. После порогового тока резко нарастает мощность излучения. Такой режим работы прибора называется лазерной генерацией.