Файл: 177_____.doc

6.2.3. Передающие оптические модули

Оптический передающий модуль состоит из оптической головки и электронной схемы, предназначенный для модуляции светового пучка. В оптической головке с СИД размещены диод и модулятор, а в оптической головке с лазерным диодом- лазер, модулятор, фотодиод и электронная схема, с помощью которой стабилизируется режим ЛД. Фотодиод регистрирует интенсивность излучения и в случае ее превышения среднего уровня с фотодиода на электронную схему поступает сигнал, уменьшающий интенсивность излучения лазера.

Характеристиками модуля являются: диапазон рабочих температур, мощность излучения, пиковое значение длины волны, (длина волны при которой наблюдается максимум интенсивности) ширина спектральной полосы (на половине высоты пика), время нарастания импульса, срок службы, напряжение цепи питания, пространственное распределение мощности излучения на выходе.

Передающие модули работают при температурах от 0°С до 80°С или от -40°С до 70°С. При повышении температуры длина волны возрастает.

СИД установлен на теплоотводящем радиаторе, излучение выводится из оптической головки через отрезок волокна, к которому присоединяется внешняя световодная линия. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микроэлектронную схему - преобразователь “ напряжение - код”, управляющий током в цепи питания световода.

Напряжение, создаваемое током, протекающим через СИД и транзистор, передается через резистор R1 на инвертирующий вход операционного усилителя. На выходе усилителя создается отрицательный перепад напряжения, который начинает закрывать транзистор. Ток, протекающий через транзистор, уменьшается и уменьшается напряжение, подаваемое на вход операционного усилителя. При этом уменьшается отрицательное напряжение на выходе операционного усилителя и транзистор приоткрывается.

Структура оптического передающего модуля с лазерным диодом сложнее, чем со светоизлучающим диодом. В оптической головке модуля (рис.6.4) находится лазерный диод с двойным гетеропереходом и фотодиод обратной связи, детектирующий излучение, выходящее через заднюю грань лазера. Управление лазером, стабилизация его работы и защита от слишком высокого входного сигнала осуществляется следующим образом. Ток в цепи обратной связи регулирует режим работы лазера по среднему значению мощности излучения и корректирует отклонение от этого значения. Структура оптического передающего модуля с лазерным диодом сложнее, чем со светоизлучающим диодом. В оптической головке модуля (рис.6.4) находится лазерный диод с двойным гетеропереходом и фотодиод обратной связи, детектирующий излучение, выходящее через заднюю грань лазера. Управление лазером, стабилизация его работы и защита от слишком высокого входного сигнала осуществляется следующим образом. Ток в цепи обратной связи регулирует режим работы лазера по среднему значению мощности излучения и корректирует отклонение от этого значения.

Рис.6.2. Пространственное распределение мощности излучения на выходе типичного оптического передающего модуля

Уровень квантования (чувствительности) в ОЭ АЦП этого типа определяется как

, (5.18)

Схема защиты и управления лазера содержит:

– цепи обратной связи для поддержания постоянства мощности излучения лазера и защиты диода от воздействия слишком высокого уровня входного сигнала;

– схему защиты, обеспечивающую защиту лазера от воздействий, связанных с неисправностями в цепи питания и паразитными электрическими колебаниями.

Рис.6.3. Принципиальная схема простейшего оптического передающего модуля со светоизлучающим диодом

Конструкция оптической головки оптического передающего модуля с лазерным диодом приведена на рис.6.4.

Рис. 6.4. Конструкция устройства оптической головки оптического передающего модуля с лазерным диодом

6.2.4. Передающие оптические антенны

Источники оптического излучения 1 (рис.6.5,6.6) могут создавать разные световые пучки:

- световой пучок с большой угловой расходимостью (если источник точечный)

Рис.6.5. 1 – точечный источник, 2- коллиматор, D –диаметр коллимирующей линзы

- световой пучок малого диаметра с малой расходимостью (коллимированный)

Рис.6.6. 1- источник излучения светового пучка с малой расходимостью, d - ширина первичного светового пучка, 2 - передающая оптическая антенна, D- диаметр передаваемого светового пучка

Задачей передающей антенны 2 является преобразование излучения, выходящего из источника, в световой пучок достаточно большого диаметра. В первом случае источник излучения необходимо поместить в фокусе собирающей линзы (рис.1.7), а

Рис.6.7. 1- точечный источник света, D – диаметр оптической линзы

Рис.6.8. 1 – световой источник конечных размеров, θ_вх – угол расходимости первичного светового пучка, d – диаметр первичного светового пучка,θ_вых – угол расходимости передаваемого светового пучка, D – диаметр передаваемого светового пучка, F₁ и F₂ - фокусные расстояния линз

во втором – излучение от источника нужно пропустить через две собирающие линзы, расстояние между которыми равно сумме фокусных расстояний этих линз, причём F₂> F₁ , (рис.6.8).

Диаграмма направленности антенны описывает распределение мощности поля, излучаемого в различных направлениях пространства (измеряется в единицах мощности, приходящейся на единичный телесный угол). Ширина диаграммы направленности антенны (ДНА) определяется по угловым положениям её первых нулей. Основная часть излучаемой мощности сосредоточена в секторе пространства Ω между первыми нулями диаграммы направленности. Величина этого телесного угла связана с коэффициентом усиления (КУ) антенны, которая определяется как отношение максимальной плотности мощности, излучаемой антенной, к плотности мощности, излучаемой изотропной антенной.

P·4π =P·Ω ,

Ω=4π P_изотр /P_макс =4π/К,

Отсюда находим К=4π/Ω – коэффициент усиления антенны.

После появления лазеров стали разрабатывать фазированные лазерные решётки (ФЛР). С помощью ФЛР решаются задачи:

– суммирование в некотором направлении полей излучения нескольких лазеров, с целью увеличения мощности излучения;

– сканирование оптического луча в пространстве;

– компенсация влияния турбулентности атмосферы на фазовое распределение в сечении луча на трассе передачи (адаптивные ФЛР)

6.2.5. Источники излучения

Применяют источники излучения 2-х видов на основе полупроводников: светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) и лазеры. В полупроводниковых источниках генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок, которая приводит к образованию фотонов. СИД и ЛД изготавливают из полупроводниковых материалов типа А³ В⁵ (арсениды и фосфиды галлия, индия, алюминия) с электронной (n-типа) и дырочной (p-типа) проводимостью. Введение в соединения А³ В⁵ примесей элементов 4 группы придает этим соединениям электронную проводимость, а - элементов 2 группы – дырочную проводимость.

Выбор источника излучения для той или иной системы связи определяется требованиями к мощности излучателя, его спектральным и модуляционным характеристикам, сроку службы, стабильности параметров, а также к диапазону рабочих температур.

6.2.5.1. Светоизлучающие диоды

На рис.6.9 ,6.10 показано расположение слоев полупроводников различного типа в структурах СИД, разработанных для световодных систем связи. Фотоны образуются в активной зоне, расположенной вблизи p-n перехода и распространяются в самых различных направлениях. Через окна излучение выходит наружу.

В подложке прибора вытравлено углубление для уменьшения толщины слоя полупроводников через который проходит излучение. В углубление может быть помещена сферическая микролинза. В некоторых СИД излучение выходит наружу через боковую поверхность прибора. Это позволяет уменьшить размеры сечения пучка света. Диаметр излучающей площадки СИД с вытравленным углублением и СИД с выходом излучения через боковую грань составляет 50-60 мкм. Эффективность ввода света от светодиода в световод с диаметром сечения сердечника <200 мкм возрастает.

Длина волны света, излучаемого СИД определяется соотношением:



где ∆E- ширина запрещенной зоны в эв, - постоянная Планка,

с- скорость света в вакууме.

Для арсенид галлиевого СИД 900 нм. При добавке к арсениду галлия примеси алюминия длина волны уменьшается до 750 нм. Для получения СИД с еще более короткой длиной волны, лежащей в видимой области спектра, необходимо применять в них арсенид фосфид галлия или фосфид галлия. Для получения длины волны излучения 1,3 мкм СИД изготавливают из арсенид-фосфида галлия и индия (рис.6.10).

Рис.6.9. Структура светоизлучающего диода, генерирующего свет с длиной волны λ=0,83 мкм

Значение числовой апертуры изменяется от 0,9 (для СИД с большой излучающей площадкой) до 0,2 (для СИД с вытравленным углублением).

СИД нечувствительны к перегрузкам и обладают хорошей линейной зависимостью между выходной мощностью излучения и током инжекции.

Следует отметить, что эффективность излучения СИД составляет 500 мВт/мА, причем генерируемый свет не поляризован, и спектр излучения непрерывный (рис.6.12).