Принцип осуществления цифровой модуляции лазерного диода, показанный на рис. 1.8, отличается из цифровой модуляции светодиода. На ЛД подается ток постоянного смещения I0, равный пороговому току (режим передачи двоичного нуля). Он увеличивается до значения I0 + iс при передаче двоичной единицы путем подачи импульса положительной полярности с пиковым значением iс (см. рис. 1.8). Когда приложенное прямое смещение близко к пороговому значению, диод включается более быстро и ток сигнала может быть меньшим, чем в случае отсутствия смещения.

При аналоговой модуляции (рис. 1.9) постоянное смещение должно превышать порог, так, чтобы работа происходила в линейной области ВтАХ. При передаче аналогового сигнала с низкими гармоническими искажениями линейность ВтАХ лазерного диода должна тщательно контролироваться.

Лазерные диоды обычно имеют ширину спектральной линии 1…5 нм, что значительно меньше, чем ширина спектра излучения светодиодов. Ширина спектра ЛД больше, чем у газовых лазеров, потому что излучательные переходы в полупроводнике происходят между энергетическими зонами, а переходы в газовых лазерах – между энергетическими линиями. Это явление приводит к ширине спектра намного большей, нежели обусловленной эффектом Доплера в газах. Спектр лазерного диода, работающего на l = 1,3 мкм, приведен на рис. 1.11 Многочисленные пики соответствуют продольным модам лазера.

Когда ток накачки только немного превышает порог, лазерный диод имеет многомодовый спектр, аналогичный приведенному на рис. 1.10. При увеличении тока происходит уменьшение ширины спектра и числа продольных мод. При достаточно большом токе спектр будет содержать только одну моду. На рис. 1.12 показан спектр лазера генерирующего одну продольную моду. Как и ожидалось, ширина линии намного меньше (равна примерно 0,2 нм), чем у многомодового лазера. Диод с одной продольной модой минимизировал бы материальную дисперсию в волокне вследствие узкой спектральной линии.

1.4 Математическая модель электро-оптического преобразователя (ЭОП)

Для ЭОП на рис. 1.13 приняты обозначения: Uвх, Iвх, Pэ вх – напряжение, сила тока и мощность электрического (модулирующего) сигнала на входе ЭОП;

Рисунок 1.13 – Функциональная схема ЭОП.

Rр(Вт/А) = DРо вх(Вт)/DIвх(А), rр(дБ) = 20lg[Rр(Вт/А)/1 Вт/А] (1.8)

– дифференциальный ваттовый отклик* ЭОП с учетом эффективности ввода мощности света в оптическое волокно, где DРо вх – приращение оптической мощности на выходном оптическом полюсе ЭОП, вызванное приращением электрического тока DIвх на его входном электрическом полюсе. Индексы «э» и «о» указывают на принадлежность параметра к электрической и оптической областям спектра соответственно. Наряду с абсолютными единицами измерения (А, В, Вт, Ом) удобно использовать относительные логарифмические (дБм, дБ). Первые будем обозначать прописными, а вторые – строчными буквами. Например, в выражении

pэ вх, вых(дБм)= 10lg[Рэ вх, вых (Вт)/10–3] – Рэ вх, вых и pэ вх, вых – соответственно мощности и уровни мощностей электрических сигналов на входе (выходе). Для ЭОП с учетом соотношений (1)

Рэ вх (Вт) = Rи(Ом), Ро вых (Вт) = Івх(А)Rр(Вт/А),

и pо вых (дБм) = [pэ вх (дБм) + rр (дБ) – rи(дБ) + 30 дБ]/2, (1.9)

pэ вх (дБм) = 2pо вых (дБм) – rр(дБ) + rи(дБ) – 30 дБ, (1.10)

где rи(дБ) = 10lg[Rи (Ом)/1 Ом)].

В табл. 1.1 приведены расчетные выражения для трех следующих значений Rи: 50 Ом и 75 Ом (цифровые и аналоговые ВОСП соответственно) и 1000 Ом, при котором формулы (1.9) и (1.10) упрощаются.

Таблица 1.1 – Соотношения для расчета параметров ЭОП

Источник Rи, Ом	Оптический полюс pо вых (дБм) =	Электрический полюс pэ вх (дБм) =
50	[pэ вх (дБм) + rр(дБ)]/2 +6,05 дБ	2pо вых (дБм) – rр(дБ) – 13,01 дБ
75	[pэ вх (дБм) + rр(дБ)]/2 +5,625 дБ	2pо вых (дБм) – rр(дБ) – 11,25 дБ
1000	[pэ вх (дБм) + rр(дБ)]/2	2pо вых (дБм) – rр(дБ)

Значение Rр не всегда указывают изготовители ИИ. Оно может быть рассчитано по паспортным или экспериментальным данным согласно формуле (1.1), если известна или измерена мощность излучения, введенная в одно- (ОМ) или многомодовое (ММ) оптическое волокно (ОВ). В табл. 1.2 приведены значения Rр и rр для основных типов ИИ и ОВ на длине волны 1300 нм. Здесь использованы следующие аббревиатуры для обозначения типа лазерного резонатора: ФП – Фабри-Перо, РОС – с распределенной обратной связью, РБО – с распределенным Брэгговским отражением, ВР – с вертикальным резонатором.

Таблица 1.2 – Значения коэффициентов Э/О преобразования полупроводниковых ИИ

Тип ИИ	Светодиод + ММ/ОМ волокно		Лазерный диод + ОМ волокно
	поверхностный	торцевой	Ф-П	РОС	РБО	ВР
Rр, Вт/А	0,00025/0,000013	0,0004/0,00013	0,1…0,2	0,07	0,1	0,5
rр, дБ	–72/–97,5	–68/–77,5	–20…–14	–23	–20	–6

Для ЭОП формально может быть введен коэффициент передачи мощности (с преоб­разованием спектра) Кр эоп = Ро вых(Вт)/Рэ вх(Вт) = Rр(Вт/А)/Uвх(В). Очевидно, что между Кр эоп и Uвх имеется обратно пропорциональная зависимость. Коэффициент передачи мощности в относительных единицах