Энергетические процессы в волоконно-оптических системах передачи
1.1 Моделирование электро-оптического преобразователя (ЭОП).
В волоконных системах информация переносится при помощи оптических пучков создаваемых источниками излучения (ИИ). Наиболее широко используются полупроводниковые ИИ – лазерные диоды (ЛД) и светоизлучающие диоды (СД) поскольку они имеют: 1) небольшие размеры, соответствующие малым диаметрам волокон; 2) твердотельную структуру совместимую с современными полупроводниковыми электронными приборами; 3) низкое энергопотребление. В большинстве систем информация “накладывается” на пучок света путем модуляции прямого тока (накачки), протекающего через источник излучения.
1.2 Параметры и характеристики светодиодов (СД).
Оптическая мощность, излучаемая светодиодом, прямо пропорциональна протекающему через переход прямому току накачки. Типичная зависимость мощности излучения от тока накачки, называемая ватт-амперной характеристикой (ВтАХ), приведена на рис. 1.1. Линейная зависимость может быть объяснена следующим образом. Ток i равен числу носителей заряда, инжектируемых в переход за одну секунду. Число носителей за секунду N = i/e, где e – заряд электрона. Если h* – часть носителей, которые прорекомбинируют и создадут фотоны, то выходная оптическая мощность
P = hNWg = hWgi/e. (1.1)
Это соотношение является доказательством линейной связи между оптической мощностью и электрическим током. Энергия запрещенной зоны в соотношение подставляется в джоулях. Если она выражена в электронвольтах, то соотношение упрощается
P = hiWg. (1.2)
Значения мощности, приведенные на рис. 1.1, не являются мощностью, введенной в волокно. Ограниченная числовая апертура волокна значительно уменьшает величину введенной мощности. Используемые на практике светодиоды имеют токи накачки 50…100 мA при напряжении прямого смещения 1,2…1,8 В.
Принцип осуществления цифровой модуляции показан на рис. 1.2. Диод модулируется с помощью источника тока, который переводит СД из режима включено, в состояние выключено. Аналоговая модуляция (рис. 1.3) требует, чтобы ток постоянного смещения I0 постоянно протекал через СД в прямом направлении. Без тока постоянного смещения отрицательная волна колебания тока сигнала заперла бы диод (смещала его в обратном направлении).
Общий ток через диод
(1.3)
и соответствующая выходная оптическая мощность
, (1.4)
где Pсп – пиковая мощность сигнала, соответствующая пиковому току накачки Iсп. Будем называть эту мощность переменной составляющей. Отметим, что форма огибающей оптической мощности в точности соответствует форме волны изменения входного тока из-за наличия линейной зависимости мощность-ток. Возможные отклонения ВтАХ от линейной зависимости искажают сигнал. Если требуются низкие нелинейные искажения, то должна быть оценена (или измерена) линейность ВтАХ используемого источника.
В предыдущих главах были рассмотрены причины ограничения скорости передачи информации по волокнам. Источник излучения также может ограничивать каналоемкость системы. На низких частотах модуляции Pсп = а1Iсп, где а1 = DP/Di – наклон ВтАХ на рис. 1.3. На высоких частотах большая часть быстро изменяющегося тока 
протекает через емкость перехода и паразитные емкости, что уменьшает величину переменной составляющей оптической мощности. Однако, еще большее ограничение высокочастотной модуляции происходит вследствие времени жизни носителей t, которое равно среднему времени рекомбинации инжектированных носителей. Ток модуляции должен изменяться медленно по сравнению с t. Отклик СД (ограниченный временем жизни носителей) на электрический сигнал частоты w, равен
. (1.5)
Кривая, соответствующая выражению (1.3), приведена на рис. 1.4. На частоте w = 1/t переменная составляющая мощности оптического сигнала уменьшается в 0,707 раз. Ток, создаваемый приемником излучения, пропорционален оптической мощности. Следовательно, когда переменная составляющая мощности оптического сигнала уменьшается до 0,707 от максимальной, переменная составляющая продетектированного тока сигнала уменьшится в такой же пропорции, а электрическая мощность в приемнике (пропорциональная квадрату тока) уменьшится в 0,7072 = = 0,5 (т. е. на 3 дБ). По этой причине, величину 1/t называют модуляционной шириной полосы по уровню –3 дБ или электрическая шириной полосы пропускания по уровню –3 дБ. Ширина полосы пропускания СД
f-3дБ =1/2pt, Гц. (1.6)
Ширина полосы модуляции превышающая 300 MГц, была достигнута для поверхностных излучателей, но наиболее доступные серийные светодиоды имеют меньшую ширину полосы (обычно от 1 до 100 MГц).
Время нарастания источника tн – это время, которое требуется для того, чтобы выходная оптическая мощность изменилась с уровня 10 % до уровня 90 % от установившегося значения при входном сигнале в виде перепада тока. Принцип измерения времени нарастания показано на рис. 1.4. Входной ток заставляет оптическую мощность возрастать от нуля до установившегося значения. Выходной оптический сигнал, показанный на рис. 1.4, соответствует форме волны сигнала, генерируемого широкополосным детектором, используемым для измерения этой мощности. Время нарастания и электрическая ширина полосы пропускания по уровню –3 дБ связаны соотношением
f-3дБ = 0,35/tн. (1.7)
Типичные значения времени нарастания составляют от нескольких наносекунд до 250 нс.
Известно, что ширина спектра излучения источника непосредственно влияет на значение волноводной и материальной дисперсии волокна. Уширение импульса вследствие этих причин линейно зависит от ширины спектра источника. Светодиоды, работающие в области 0,8…0,9 мкм имеют ширину спектра 20…50 нм, а светодиоды длинноволновой области – 50…100 нм. Влияние увеличенной ширины спектра длинноволнового излучателя компенсируется существенно меньшим в этой области значением материальной дисперсией М.
1.3 Параметры и характеристики ЛД
 |
