Основные характеристики прямой модуляции

Частотная характеристика модуляции с СИД. Для модулятора с СИД справедливо:

(3.5)

Рабочая полоса частот модулятора с СИД ограничивается частотой Fmax, на которой мощность уменьшается в раз (рисунок3.5). Так как

(3.6)

для того, чтобы увеличить широкополосность модулятора, необходимо выбирать материалы с малым τ_е (единицы нс). Реальная полоса частот модуляции СИД не превышает 100 МГц.

Рисунок 3.5 –Частотная харктеристика модуляции с СИД

Частотная характеристика модуляции с ЛД. Все явления, которые характерны для модулятора с СИД, относятся и модуляции на ППЛ. Но модулятор с ППЛ содержит резонатор Фабри-Перо, где помимо СПИ, присутствует СТИ. Причем СПИ считается не информационным. Поэтому требуется некоторое время для образования стимулированного фотона. При этом на некоторой частоте происходит одновременное образование и СТИ и СПИ. При этом Ризл резко возрастает.

Частотная характеристика, (рисунок 3.6) обусловлена следующими явлениями:

- Сложением амплитуд СПФ и СТФ, при условии, что колебание происходит в одинаковой фазе;

- Временем создания инверсной населенности;

- Временем жизни фотонов в РФП.

Время жизни фотона - период времени с момента образования фотона до момента времени, когда фотон попадет в ОВ. f₀ – частота, на которой мощность на выходе модулятора максимальна.

(3.7)

τ_ф – время жизни фотона (ед. пс – 5пс – стандартное значение для ППЛ);

τ_е – время жизни электрона, т.е. период времени, когда электрон попадает в область p-n перехода и до момента времени, когда начнется рекомбинация (ед.нс – 3 нс).

Рисунок 3.6 - Частотная характеристика модуляции с ППЛ

По сравнению с СИД, рабочая полоса модулятора с ППЛ – шире. - рабочая полоса ОМ с ППЛ, то есть это диапазон частот, где Р на выходе модулятора остается постоянной. для того, чтобы увеличить значение , а именно приблизить его к f₀, необходимо выбирать сложные соединения для ППЛ; технологически совершенствовать всю конструкцию.

Обычно f₀ для ППЛ с резонатором Фабри-Перо составляет 1 ГГц.

При этом: если β=1.02, то f₀ = 183 МГц; β=1.1, то f₀= 410 МГц; β=1.2, то f₀= 581 МГц. Это означает, брать больше отношение . Но при увеличении значения Iсм, амплитуда оптического импульса будет уменьшаться. Поэтому Iсм=(0.8-1.2)*Iпорог.

Другой проблемой прямой модуляции ФП-лазера стало динамическое уширение спектра. Если лазер работает в режиме постоянного тока, то легко возникает одна продольная мода. Однако если осуществить непосредственную модуляцию, то число генерируемых продольных мод возрастает. Это связано с тем, что одновременно с модуляцией происходит резкое изменение усиления в активном слое, и при большом числе продольных мод усиление постепенно превышает потери в резонаторе. Перераспределение мощности в модах, которое приводит к динамическому уширению спектра ЛД ФП Δλ до 10 нм при частоте модуляции 1 ГГц.

Динамическое уширение спектра зависит от частоты модуляции и затрудняет процесс передачи информационных сигналов по волоконно-оптическим линиям связи из-за хроматической дисперсии импульсов оптической мощности. Данный недостаток затрудняет использование Фабри-Перо лазера на скоростях передачи выше 622 Мбит/с.

Развитие систем передачи на основе одномодовых оптических волокон вызвало необходимость создания лазеров с распределённой обратной связью типа DFB (Distributed Feedback Laser) с прямой модуляцией излучения и с внешней модуляцией. В передатчиках с прямой модуляцией в соответствии с информационной последовательностью m(k) модулируется ток накачки. Например, информационная последовательность, рассматриваемая на рисунке 1.11 m(k):00100110. T = 1/B.

При изменении тока через полупроводниковый диод (прямая модуляция) меняется не только коэффициент усиления диода, но и показатель преломления p/n перехода. Следовательно, меняется частота излучения лазера, то есть импульсы приобретают чирпинг (рисунок 3.7,а). Иными словами, проявляется паразитная частотная модуляция. При скоростях модуляции выше 1 ГГц этот чирпинг имеет положительный знак. Поэтому при использовании лазеров с прямой модуляцией и скорости передачи в 2,5 Гбит/с (STM-16) паразитная частотная модуляция приводит к увеличению искажений, связанных с хроматической дисперсией. Поэтому по дальности передачи информации и спектральной эффективности системы связи с такими передатчиками далеки от оптимальных.

Из практических результатов использования можно отметить, что лазеры с непосредственной модуляцией обладают эффективностью уширения спектра того же порядка, как и SPM эффекты в ОВ и могут использоваться для трансляции цифровых сигналов со скоростями до 2,5 Гбит /с на расстояниях до 170…200 км при использовании волокна SMF-28. Для более протяженных магистралей или при использовании более высоких скоростей передачи, потребуются уже лазеры с внешней модуляцией. Существенное улучшение технических параметров системы связи удаётся достичь путём использования передатчиков на основе полупроводниковых лазеров с непрерывной накачкой и внешней модуляцией. Оптическая схема такого передатчика показана на рисунке 3.7,б. При применении лазеров с внешней модуляцией импульс чирпинга не имеет. Следует отметить, что ширина импульсов обоих лазеров одинакова, но импульс, полученный при прямой модуляции лазера, обладает чирпингом и у него спектр шире. Для РОС-лазера с модификацией резонатора максимальная частота модуляции 2,5 ГГц ограничивается временем жизни фотонов в резонаторе.

Рисунок 3.7 - Модулированное излучение лазера с прямой (а) и внешней модуляцией (б)

Временная характеристика модуляции с СИД. Пусть сигнал на входе модулятора (рисунок 3.8) поступает в импульсном виде (1).

Рисунок 3.8 - Определение времени включения СИД

На диаграмме (2) показано, как заряжается емкость диода. При этом так как Uд не меняется скачками, то преобразованный сигнал задерживается на время задержки τ_З1. пока Uд не достигнет своего максимума – 0.9Umax, не происходит рекомбинации носителей зарядов. Образование квантов энергии начинается спустя время τ_З2 . Поэтому отработанный оптический импульс на выходе модулятора появляется спустя τ_вкл= τ_З1 + τ_З2. Скорость следования импульсов поступающего потока ограничена параметрами и характеристиками источника излучения, который располагается в передающем оптическом модуле.

Временная характеристика модуляции с ЛД. При частотах модуляции больших, чем Fгр, модулятор с ППЛ не успевает отрабатывать эти импульсы, поэтому возникают искажения (рисунок 3.9). Такие искажения, когда наблюдается максимальный провал мощности, называется звоном лазера. Это явление объясняется тем, что в лазере выполняется условие инверсной населенности. Мощность на выходе источника резко возрастает, затем, когда большая часть электронов перейдет с уровня ЗП на уровень ВЗ. При этом подпитка другими носителями заряда еще не осуществлена, она резко уменьшается. Такой режим не является рабочим, так как такой сигнал в точке приема восстановить невозможно.

 

Рисунок 3.9 - Временная характеристика прямой модуляции на ППЛ

Кроме указанных недостатков при модуляции тока накачки лазера вносятся шумы:

1. Шумы спонтанного излучения.

Информационным является СТИ, при этом этот вид излучения возникает на фоне СПИ. Но так как СПИ – шум, то на выходе излучателя появляется смесь полезного сигнала и помехи. Корректировать СПИ невозможно, поэтому уменьшить влияние этой составляющей невозможно.

2. Шумы изменения температуры и тока накачки – обусловлены изменением смещения из-за изменения температуры и модулирующих составляющих тока накачки. Изменение температуры на 1⁰С приводит к тому, что потери составляют: . Кроме того, что изменяется мощность на выходе излучателя, так же изменяется значение Iпорог.

(3.8)

где Т₀ – температура, которая зависит от вида материла ППЛ;

- заданная температура;

Т – температура, которая показывает закон изменения окружающей среды.

- значение порогового тока, при оптимальном значении температуры окружающей среды.

3. Шумы отражения оптического сигнала от стыка с поверхностью световода связаны с возвратом отраженного света, который имеет произвольную фазу. При этом изменяются условия генерации, которые приводят к изменению резонансной длины волны, числа генерируемых мод, изменению формы ватт-амперной характеристики.

Отраженная волна сообщает дополнительную долю энергии носителям заряда, которые не способны преодолеть ширину ЗЗ. В результате возникают новые кванты энергии, которые не несут полезной информации. При влиянии отраженной волны появляются изломы на ВтАХ. Это приводит к резкому увеличению нелинейных искажений. При этом уменьшается затухание нелинейности. При попадании отраженной волны в ППЛ уменьшается мощность основной моды, увеличивается ширина спектра Δλ.

Рисунок 3.10 - Спектральная характеристика ППЛ при отраженной волне

Для борьбы с шумами отражения используется оптический изолятор (вентель), который пропускает излучение в одном направлении и гасит его в обратном.

4. Шумы перескока моды возникают из-за малого спектрального расстояния между модами. При ширине спектра моды около 1-2 нм расстояние между модами составляет около 0,8 нм. По этой причине и недостаточно высокой добротности резонатора в процессе модуляции возникают возможности генерации лазера на соседних модах. Перескок моды приводит к значительным колебаниям мощности излучения лазера. Для устранения шумов перескока применяется режим с высоким смещением (около или выше порогового тока).

Рисунок 3.11 - Переход мод

Внешняя модуляция

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения при прохождении светового луча через какую-либо среду.

Рисунок 3.12 - Принцип внешней модуляции

В ряде материалов пропускающих оптические волны, существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим давлением. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили электрооптический и акустооптический эффект.

Акустооптический эффект - это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении акустической волны.

Акустические волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора модулирующего сигнала с большой акустической мощностью. Схема АОМ приведена на рисунке 3.13. При изготовлении акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО₂ (диоксид теллура), PbMoO₄ (молибдонат свинца), LiNbO₃ (ниобат лития).

Рисунок 3.13 – Схема АОМ

Для описания взаимодействия света с звуковой волной в прозрачных средах необходимо знать изменение эллипса показателей преломления. В результате распространения акустической волны образуются периодические слои изменения показателя преломления, перемещающиеся со скоростью звука. Так как скорость звука намного меньше скорости света, то в первом приближении для задачи дифракции света можно считать слои показателей преломления неподвижными и квазистационарными, то есть за время прохода света они не успевают существенно сместиться.

Горизонтально ориентированные линии с одинаковым показателем преломления образуют дифракционную решетку. При падении на дифракционную решетку световая волна будет отклоняться, если выполнены условия дифракции. Входной и выходной лучи имеют один и тот же угол наклона к поверхности, новое направление луча имеет место только при углах Брэгга:

(3.9)

где l - длина волны света внутри АОМ, Lзв = v/f_S, v – скорость звуковой волны в веществе, fs – частота модулирующего сигнала.

Луч света направляется под углом Брэгга к нормали интенсивностью I₀ на входе модулятора в отсутствии дифракции, и интенсивностью I_m в дифракционных максимумах при дифракции. В случае дифракции Брэгга исчезают все максимумы дифракции, кроме первого, причем в данном случае максимум первого порядка является выходным каналам. Интенсивности световых пятен дифракции Брэгга зависят от мощности акустических волн. Изменяя шаг решетки и ее глубину путем изменения частоты и амплитуды акустической волны, возможно, осуществлять модуляцию света.

Из-за сложности конструкции и ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц) АОМ редко используются в ВОСП.

Электрооптический эффект заключается в изменении оптических свойств некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO₃) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Электрооптическая модуляция может происходить на основе линейного эффекта Поккельса и нелинейного эффекта Керра.

Электрооптический эффект Поккельса заключается в повороте плоскости поляризации световой волны под действием электрического поля. Нелинейный эффект Керра появляется в зависимости показателя преломления материала от напряженности электрического поля. Общим для указанных эффектов является то, что внешние воздействия приводят к изменению симметрии кристалла, следствием чего является изменение его свойств. Оптически изотропные кристаллы становятся анизотропными.

В электро-оптических модуляторах (ЭОМ) на эффекте Поккельса под воздействием модулирующего напряжения в электрооптическом кристалле ниобата лития LiNbO₃ возникает искусственная анизотропия, проявляющаяся в двулучепреломлении (рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 – ЭОМ на эффекте Поккельса

Свет, распространяющийся в среде, показатели преломления которой вдоль двух направлений различны, разделяется на обыкновенную горизонтально поляризованную волну и необыкновенную вертикально поляризованную волну. В результате деформации показателей преломления в различных плоскостях кристалла между этими волнами создается набег фаз, а при интерференции двух волн, наблюдается поворот плоскости поляризации. При максимальном модулирующем напряжении плоскость поляризации поворачивается на 90^о и на выходе ЭОМ возникает модулированное излучение.

Недостатки ЭОМ на эффекте Поккельса:

1. Требует приложение высоких модулирующих напряжений (160-180 В).

2. Зависимость разности показателей преломления в материале от температуры.

В современных ВОСП чаще используется электрооптический модулятор на интерферометре Маха-Зендера. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов.

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала . При этом в другом канале изменений нет.

Рисунок 3.15 - ЭОМ на интерферометре Маха-Зендера

Оптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением. Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы Dj. Разность фаз обусловлена зависимостью скорости распространения волн от показателя преломления. В зависимости от Dj в результате интерференции двух волн во втором ответвителе формируется сигнал "1" или нуля.

При разработке интерферометра необходимо учитывать, что длина волны на выходе интерферометра определяется по формуле:

(3.10)

где l- длина плеча интерферометра

m – модовое число или номер моды

DN – разница показателей преломления в плечах интерферометра.

ЭОМ модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 40 Гбит/с).

Поиск по сайту: