Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) являются в настоящее время наиболее перспективными направляющими системами связи. Основой ВОЛС являются оптические кабели, параметры передачи которых определяются используемыми в них волоконными световодами (ВС).

Широкое внедрение волоконно-оптических линий связи в магистральных и внутризоновых сетях, а так же в компьютерных локальных сетях обеспечивает постоянный рост пропускной способности современных сетей связи. Как следствие, увеличивается количество и качество услуг телекоммуникаций. Соответственно, вопросы внедрения новых технологий в строительство ВОЛС и в техническую эксплуатацию линейно-кабельного хозяйства ВОЛС становятся всё более актуальными.

Важнейшей составляющей технической эксплуатации ВОЛС является метрологическое обеспечение, то есть измерение основных технических параметров ВОЛС. С этой целью при технической эксплуатации ВОЛС используется широкий парк оптических измерительных приборов:

— оптические тестеры;

— оптические рефлектометры;

— оптические анализаторы спектра оптических сигналов;

— оптические измерители хроматической дисперсии;

— оптические измерители поляризационной модовой дисперсии.

В этих измерительных приборах важнейшими функциональными элементами являются измерительные источники оптического излучения (ИОИ), которые во многом определяют такие важнейшие технические характеристики как точность измерений, чувствительность приборов, погрешность измерений.

Для объективной оценки качества строительных работ и успешной последующей эксплуатации ВОЛС нуждаются в поддержании технических параметров, а, следовательно, и в периодических измерениях своих характеристик, на основании которых и делаются выводы о состоянии тех или иных ее участков и магистрали в целом. Одним из наиболее важным таким параметров является затухание оптического волокна. Поэтому изучение приборов для измерения данного параметра и различных методов измерения затухания оптических волокон является важной учебной составляющей при обучении студентов по специальности «Физика и техника оптической связи». Измерение оптической мощности является метрологической основой волоконной оптики, а измерительные источники оптического излучения (ИОИ) в той или иной форме используются практически в каждом средстве измерения параметров световой волны.

В связи этим в данной дипломной работе рассмотрены принципы построения и функционирования современных измерительных источников оптического излучения (ИОИ).Рассмотрены различные методы построения измерительных источников оптического излучения, их основные технические характеристики, выполнен сравнительный анализ технических характеристик измерительных источников оптического излучения реализованных с использованием различных методов построения и различной элементной базы. Приведены примеры серийно выпускаемых измерительных источников оптического излучения и их основные технические характеристики. Разработаны тесты и задачи для проведения практических занятий со студентами по данной тематике. Краткие теоретические сведения, тесты и задачи оформлены в виде учебного модуля для проведения практического занятия по дисциплине «Метрология в оптических телекоммуникационных системах».

1. Назначение измерительных источников оптического излучения

1.1 Общие сведения об измерительных источниках оптического излучения

оптический диод измерительный В процессе технической эксплуатации оптических систем связи часто возникает необходимость измерить основные параметры передаваемых оптических сигналов:

— уровень передачи оптических сигналов;

— уровень приёма оптических сигналов;

— затухание оптических сигналов.

C этой целью для измерений этих параметров используются специальные измерительные оптические приборы:

— измерительные источники оптического излучения (ИОИ);

— измерители оптической мощности (ИОМ).

Эти измерительные оптические приборы конструктивно могут быть оформлены в виде отдельных приборов, или объединены в одном приборе и тогда они называются оптическими тестерами.

Рисунок — 1. Простейшая схема оптического тестера

Также измерители оптической мощности (ИОМ) и измерительные источники оптического излучения (ИОИ) могут находиться в составе специальных оптических измерительных приборов, таких как:

— оптические рефлектометры;

— оптические анализаторы спектра оптических сигналов;

— оптические измерители хроматической дисперсии;

— оптические измерители поляризационной модовой дисперсии.

Основным назначением измерительных источников оптического излучения ИОИ является формирование измерительных оптических сигналов Для измерения таких основных параметров оптических сигналов, как:

— уровень передачи оптических сигналов;

— уровень приёма оптических сигналов;

— затухание оптических сигналов.

Например, на рисунке 2 показан внешний вид измерительного источника оптического излучения из комплекта оптического тестера OLP-55 (фирмы JDSU), который выполнен в виде отдельного измерительного прибора. Сам оптический тестер состоит из трёх отдельных приборов:

— измерительного источника оптического излучения;

— измерителя оптической мощности;

— переменного оптического аттенюатора.

Рисунок 2 — Внешний вид измерительного источника оптического излучения комплета OLP-55 (фирмы JDSU)

На рисунке 3 показан внешний вид оптического тестера FOD 1203, в котором совмещены измерительный источник оптического излучения (ИОИ) и измеритель оптической мощности (ИОМ).

Рисунок 3 — Внешний вид оптического тестера FOD 1203

На рисунке 4 показан внешний вид измерительного источника оптического излучения типа «Алмаз-11».

Рисунок 4 Измерительный источник оптического излучения типа «Алмаз-11»

На рисунке 5 приведен пример многоканального оптического тестера ОТ-2−4 производства Института информационных технологий (Беларусь) в составе которого имеется 8 независимых измерительных источников оптического излучения и 8 независимых измерителей оптической мощности.

Рисунок 5 Многоканальный оптический тестер ОТ-2−4

Мощность оптического излучения Р может измеряться в единицах мощности (Вт) или измеряться в логарифмических единицах (уровнях передачи) р (дБм) по отношению к мощности 1 мВт. Для измерения мощности излучения используют специальные приборы — измерители оптической мощности или оптические ваттметры.

Измерители оптической мощности (ИОМ) используются для определения уровней передачи или приёма, а также для измерения мгновенных, средних и максимальных значений мощности в различных точках оптических систем связи. Используются следующие единицы измерения мощности оптического излучения:

— линейные — мВт (милливатт)

— логарифмические — дБм (децибелы мощности) Мощность в дБм представляет собой логарифмическое отношение измеренной мощности P по отношению к опорной (эталонной) мощности P₀ в один милливатт:

P (дБм) = 10 lg (P/ P₀). (1)

Соответственно одна и та же мощность в дБм и мВт выражается отношением:

P (дБм) = 10 lg P (мВт). (2)

Логарифмические единицы удобны для одновременного использования мощности и затухания. Затухание в децибелах является разностью мощностей в дБм — опорного P₀ на входе оптического тракта и измеренного P на выходе тракта.

Широко используется при измерениях и расчётах следующая формула:

уровень передачи по мощности:

.

— измеренная мощность электрического или оптического сигнала в какой-то точке сети связи.

— эталонная мощность 1 мВт.

Измерительные источники оптического излучения должны формировать на своём выходе измерительные оптические сигналы с определёнными оптическими параметрами:

— заданный уровень передачи (дБм);

— заданная длина волны оптического излучения (мкм или нм);

— заданная форма оптического сигнала (аналоговая или цифровая).

Существует следующая классификация измерительных источников оптического излучения:

— стандартные измерительные источники оптического излучения;

— измерительные источники оптического излучения типа «Указка»;

— стабилизированные измерительные источники оптического излучения.

1.2 Измерение затухания оптического волокна с использованием измерительных источников оптического излучения и измерителей оптической мощности

Измерительные источники оптического излучения и измерители оптической мощности выполненные в виде отдельных измерительных приборов или в составе оптических тестеров наиболее часто применяются для измерения величины затухания оптических волокон (ОВ) на элементарных кабельных участках ВОЛС (ЭКУ ВОЛС).

Измерение затухания ОВ на ЭКУ производится в следующей последовательности:

1. Измеряется уровень передачи оптического излучения на выходе оптического соединительного шнура ОСШ (который также называется патч-кордом), подключенного к измерительному источнику оптического излучения (ИОИ) оптического тестера.

1. Для этого необходимо один конец патч-корда подключить к интерфейсу измерительного источника оптического излучения (ИОИ), а другой конец к интерфейсу измерителя оптической мощности (ИОМ) этого же тестера. На входе интерфейса ИОМ регистрируется значение измеренного уровня передачи .

2. Измеряется уровень приёма оптического излучения на выходе ОСШ, подключённого к измерителю оптической мощности на противоположном конце ОВ, как показано на рисунке 7. Для этого, используя тот же патч-корд, которым измерялся уровень передачи, оптический тестер подключается к измеряемому ОВ через оптический адаптер оптического кросса, создавая оптическое разъёмное соединение (ОРС). На другом конце оптическое волокно ЭКУ через оптический адаптер противоположного оптического кросса и второй патч-корд подключается к ИОМ другого оптического тестера, который регистрирует измеренный уровень приема. При этом подразумевается, что уровень передачи оптической мощности на входе торца ОВ не изменился и равен

Расчет затухания ОВ на данном ЭКУ можно провести, используя следующую формулу:

=, дБ где, затухание ОВ на ЭКУ (от порта ODF до порта ODF),

затухание оптических соединительных шнуров и ОРС, истинный уровень передачи на выходе ИОИ,

измеренный уровень приема на входе ИОМ.

1.3 Общая структурная схема измерительных источников оптического излучения

Основным элементом измерительного источника оптического излучения является светоизлучающий элемент. В современных измерительных источниках оптического излучения для оптических систем связи используются два типа светоизлучающих элементов:

— лазерные диоды (LD);

— светодиоды (LED).

Лазерный диод LD (или светодиод LED) создаёт непрерывное оптическое излучение с определённой длиной волны и определённой выходной мощностью (уровнем передачи).

Простейшие измерительные источники оптического излучения не имеют возможностей перестраивать длину волны оптического излучения и регулировать выходную мощность.

В то же время разработаны различные типы измерительных источников оптического излучения с расширенными возможностями:

— перестройки длины волны оптического излучения в определённом диапазоне;

— регулировки выходной мощности оптического излучения.

Для этого в измерительных источниках оптического излучения имеются устройства для перестройки длины волны и переменные оптические аттенюаторы для регулировки выходной мощности.

Для того, чтобы приблизить параметры выходного измерительного Оптического сигнала к реальным цифровым оптическим сигналам в не;

которых типах измерительных источников оптического излучения предусматривается возможность модулировать непрерывное оптическое излучение от лазерного диода (или светодиода) цифровым сигналом с различной частотой.

Для этого в схему ИОИ вводят генератор цифрового сигнала. Обычно такие генераторы создают цифровые сигналы с тактовой частотой 0,5 кГц, 1 кГц, 2 кГц и определённой скважностью импульсов.

Непрерывное оптическое излучение с заданной длиной волны и выходной мощностью непосредственно выводится на оптический адаптер (розетку), к которому подключается тестируемое оптическое волокно.

Таким образом, на выходе измерительных источников оптического излучения могут быть сформированы оптические измерительные сигналы разных видов:

— непрерывное оптическое излучение с заданной длиной волны и заданной оптической мощностью;

— оптический цифровой сигнал с заданной длиной волны, заданной оптической мощностью и с заданной частотой цифровой модуляции.

1.4 Измерительные источники оптического излучения типа «Указка»

Отдельно выделяют группу источников оптического излучения, которая среди профессионалов носит название «указка». Это источники видимого оптического излучения работающие в диапазоне длин волн 640−660 нм, то есть в диапазоне длин волн, воспринимаемом человеческим глазом как красный свет. Эти источники предназначены для визуального контроля за состоянием оптических кабелей и патч-кордов волокон на узлах связи. При просвечивании оптического кабеля источником видимого оптического излучения в местах неоднородностей оптических волокон возникает ярко-красное свечение.

1.5 Стабилизированные измерительные источники оптического излучения

Для выполнения измерений с повышенной точностью используются стабилизированные измерительные источники оптического излучения.

Стабилизированные источники оптического излучения (Stabilized Light Source — SLS) выполняют роль ввода в оптическую линию сигнала с повышенной точностью установки выходной мощности и длины волны. Иногда в качестве стабилизированных источников оптического сигнала используются источники оптических сигнала оптического линейного оборудования. Это имеет место в уже развернутой работающей сети.

Структурная схема SLS представлена на рисунке 9.

Основным элементом SLS является стабилизированный излучатель — источник оптического сигнала. Стабильность генерируемого сигнала излучателя поддерживается путем регулирования тока излучателя по сигналу рассогласования источника опорного напряжения и напряжения эталонного фотоприемника. Фотоприемник служит для контроля мощности, генерируемой излучателем. Для этого часть излучаемого оптического сигнала через оптический ответвитель подается на эталонный фотоприемник. Стабилизация рабочей точки излучателя осуществляется компаратором. Температурный режим работы излучателя поддерживается термостабилизатором. В ряде методик измерения параметров оптических систем передачи используются модулированные оптические сигналы, для обеспечения генерации которых в состав SLS включается коммутатор, обеспечивающий модуляцию оптического сигнала за счет управления током излучателя от внешнего или внутреннего генератора.

.

Рисунок 9 Структурная схема стабилизированного измерительного источника оптического излучения

1.6 Основные требования к техническим характеристикам измерителей оптической мощности

В зависимости от области применения измерительные источники оптического излучения (ИОИ) должны обеспечивать измерение средней оптической мощности и затухания оптических сигналов совместно с измерителями оптической мощности (ИОМ) многомодовых и / или одномодовых оптических компонентов ВОСП и оптических волокон ОВ.

Измерительные источники оптического излучения (ИОИ) предназначенные для работы с внешними средствами вычислительной техники (в том числе для работы в автоматизированных измерительных комплексах), должны удовлетворять требованиям по взаимодействию через стык С2 (RS-232/V.24) — по ГОСТ 18 145 и ГОСТ 23 675 и / или через другие интерфейсы, определяемые условиями их применения.

В приборе может быть предусмотрена возможность сохранения параметров установленных режимов (например, во внутренней энергонезависимой памяти), а также возможность сохранения результатов измерения. Технические данные средств для сохранения информации (встроенных или внешних) должны указываться в технической документации на прибор.

Требования к конструкции Измерительные источники оптического излучения (ИОИ) могут состоять из единого блока для всех применений или из базового блока и сменных блоков для измерения характеристик разных типов оптических компонентов на разных длинах волн.

Прибор может быть выполнен в виде модуля, встраиваемого в базовый блок других приборов (например, тестеров, универсальных рефлектометров и т. д.).

Для приборов, состоящих из единого блока, рекомендуется малогабаритное исполнение.

Приборы (кроме встраиваемых модулей) должны быть выполнены в корпусе, обеспечивающем защиту от внешних механических воздействий. Приборы вместе с их принадлежностями могут укладываться в футляр (укладочный ящик), дополнительно смягчающий внешние механические воздействия. Футляр может быть снабжен ручкой или ремнем для переноски.

Встраиваемые модули могут иметь конструкцию, определяемую условиями их применения в приборах, в составе которых они применяются.

Масса и габариты прибора должны соответствовать значениям, указанным в технической документации на прибор. Масса и габариты встраиваемых модулей, не имеющих самостоятельного применения, могут не указываться.

Приборы должны иметь средства индикации установленных режимов и результатов измерения.

Параметры средств индикации могут указываться в технической документации на прибор.

Прибор должен быть снабжен оптическим соединителем типа FC (Fiber Contact) и / или других типов (SC, DIN, ST, DIAMOND, SMA и др., в том числе универсальными адаптерами) для подключения ОВ.

Конструкция оптического соединителя (или самого прибора) должна обеспечивать защиту от попадания пыли, когда к нему не подключено ОВ.

Требования к основным параметрам и характеристикам Диапазоны длин волн излучаемой оптической мощности и длины волн калибровки должны соответствовать значениям, установленным в технической документации на прибор.

Рекомендуемые значения диапазонов длин волн излучаемой оптической мощности для соответствующих спектральных диапазонов ВОСП не менее: (800 — 900), (1250−1350), (1500−1600), (1600−1700) нм. Значения длин волн калибровки могут выбираться из ряда: 850, 1300, 1310, 1550, 1625 нм.

Единицы измерения должны индицироваться на дисплее.

Значение излучаемой оптической мощности может отображаться на дисплее приборов в следующих единицах измерения: дБм, дБ и Вт (мВт, мкВт, нВт).

Диапазон мощности оптического излучения должен соответствовать значениям, установленным в технической документации на прибор.

Рекомендуемые значения диапазона мощности оптического излучения не менее:

— минус 6 — плюс 4,7 дБм для одноканальных ВОСП;

— минус 7 — плюс 4,7 дБм для многоканальных ВОСП.

Разрешение по шкале мощности оптического излучения должно быть не более 0,1 дБ (рекомендуемое значение не более 0,01 дБ).

Основная погрешность мощности оптического излучения должна соответствовать значениям, установленным в технической документации на прибор. При этом в технической документации могут указываться условия, при которых допускается нормирование других видов основной погрешности.

В приборе могут быть обеспечены следующие функциональные возможности:

— индикация выхода мощности оптического излучения за пределы диапазона измерений;

— автоматическая коррекция нуля;

— коррекция спектральной характеристики;

— усреднение результатов измерения по нескольким значениям;

— режим формирования оптического цифрового сигнала, модулированного по амплитуде цифровым сигналом (меандром) с номинальной частотой повторения импульсов, соответствующей одному или нескольким значениям из ряда: 270, 330, 1000, 2000 Гц.

Требования к электропитанию Электоропитание прибора должно осуществляться от одного или нескольких источников электрической энергии:

— от встраиваемых или внешних источников постоянного тока;

— от сети переменного тока с номинальным напряжением 220 В.

Прибор должен сохранять основные нормируемые характеристики при следующих условиях применения в отношении источников электропитания:

— при питании от встраиваемых источников постоянного тока в течение времени, не менее установленной в технических условиях продолжительности работы для встраиваемых источников постоянного тока конкретного типа при указанных условиях (режимах) работы;

— при питании от внешних источников постоянного тока, параметры которых (напряжение, сила максимального потребляемого тока и пульсации) для рабочих условий соответствуют установленным в технических условиях;

— при питании (в том числе через сетевой адаптер) от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением (220 +/ - 22) В согласно ГОСТ 22 261.

При питании от встраиваемых источников постоянного тока в приборе должна быть обеспечена индикация разряда встраиваемых источников питания. Дополнительно может быть предусмотрена функция автовыключения. При использовании в качестве внешнего источника постоянного тока сетевого адаптера (преобразователя-выпрямителя сетевого напряжения в требуемое напряжение питания постоянного тока), входящего в комплект прибора, напряжение, сила максимального потребляемого тока и пульсации могут не указываться.

2. Светоизлучающие элементы в измерительных источниках оптического излучения

2.1 Общие сведения

Основным элементом измерительного источника оптического излучения является светоизлучающий элемент. В современных измерительных источниках оптического излучения для оптических систем связи используются два типа светоизлучающих элементов:

— лазерные диоды (LD);

— светодиоды (LED).

Базовыми материалами для изготовления таких источников излучения являются следующие материалы:

— арсенид галлия GaAs;

— фосфид индия InP;

— трех и четырехкомпонентные соединения на их основе — GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), GaInAsP (фосфид галлия индия и арсенида), InGaAs (арсенид индия и галия).

Лазерные источники (LD) и светодиодные источники (LED)

отличаются, главным образом, характеристикой добротности источника — шириной полосы излучения. Лазерные источники имеют высокую добротность и узкую полосу излучения (порядка 0,1 — 4 нм, светодиодные источники имеют низкую добротность и широкую полосу излучения (порядка 50 — 200 нм).

На рисунке изображена классификация современных источников оптического излучения используемых в оптических системах связи.

Рисунок 10 Классификация источников оптического излучения в оптических системах связи

2.2 Светодиодные источники оптического излучения

Принцип действия светодиодных источников оптического излучения (светодиодов LED) основан на явлении электролюминесценции, то есть излучения света некоторыми материалами под действием электрического поля. Излучение фотонов обеспечивается инжекционной электролюминесценцией.

Простейшая схема p-n-перехода в кристалле полупроводника приведена на рис. Носители электрического заряда (электроны и дырки) могут перемещаться в полупроводнике под действием электрического или магнитного полей.

На рисунке 11 показана область полупроводника n - типа, электрический ток в которой проводится отрицательно заряженными частицами (электронами);

Другая область — это область p-типа, электрический ток в которой проводится положительно заряженными частицами (дырками);

Без внешнего электрического поля в p-n переходе носители p-области (дырки) диффундируют (перемещаются) в n-область, заряжая ее положительно. Носители n-области (электроны) диффундируют в p-область, создавая в ней отрицательный заряд. Такая встречная диффузия будет продолжаться до тех пор, пока возникающее электрическое поле U₀ не остановит дальнейшее увеличение диффузионного тока.

В плоскости контакта p-n перехода возникает разность потенциалов — потенциальный барьер eU₀, препятствующий диффузии электронов в р-область и дырок в n-область.

Рисунок 11 Схема p-n-перехода и его энергетическая диаграмма

Для практического применения используют более сложные конструкции p-n переходов, которые получили название гетеропереходы Гетеропереход — это переход между различными областями полупроводника, образованный между материалами со сходной кристаллической структурой, но обладающими разной шириной запрещенной зоны и показателями преломления.

Различают три структуры LED с использованием гетеропереходов: — с поверхностным излучением;

— с торцевым излучением;

— суперлюминесцентные светодиоды (СЛД).

В LED с поверхностным излучением оптический сигнал выводится с поверхности активного слоя в перпендикулярной ему плоскости. Оптическое волокно присоединяется к поверхности светодиода через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает эффективный ввод мощности спонтанного излучения в оптическое волокно.

В качестве примера на рисунке 12 показана конструкция светоизлучающего диода LED с поверхностным оптическим излучением трёхслойного типа.

Светодиод имеет трехслойную структуру: пассивные слои и активный слой. В n-области свободные электроны занимают разрешенные уровни в зоне проводимости, а в p-области дырки занимают соответствующие уровни в валентной зоне.

Рисунке 12. Конструкция светоизлучающего диода LED с поверхностным оптическим излучением трёхслойного типа

При приложении прямого смещения с использованием внешнего источника напряжения наблюдается односторонняя инжекция (перемещение) электронов и дырок в активный слой. Высокая концентрация носителей в активном слое обеспечивается скачком потенциала Е на границе гетероперехода. В активном слое наблюдается рекомбинация неосновных носителей с выделением избыточной энергии в виде фотонов света. СИД функционирует на основе спонтанного излучения и формирует некогерентные волны с длиной волны:

(1)

Соотношение показателей преломления активного и пассивного слоев n₂>n₁ обеспечивает волноводный эффект и повышает КПД источника.

На рисунке 13 приведена конструкция LED с торцевым излучением.

Рисунок 13 Конструкция LED с торцевым излучением

В торцевом LED излучение выводится с одного торца активного слоя в параллельной к нему плоскости. Другой торец активного слоя выполняется в виде зеркала. Излучающий торец согласуется с оптическим волокном линзовой системой.

В суперлюминесцентных светодиодах (СЛД) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное — вынужденное излучение — является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД обладает высоким оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. По конструкции СЛД соответствует торцевому СИД, но работает при более высоких токах инжекции от 50 до 100 мА.

В светодиодных источниках используется принцип спонтанного излучения света, поэтому сигнал светодиода является некогерентным и спектрально более однородным.

Из-за спонтанного излучения светодиоды имеют широкий спектр излучения, обычно в пределах 50−200 нм.

Для стабилизации уровня выходной мощности LED достаточно стабилизировать цепь питания источника, поэтому светодиодные источники отличаются повышенной стабильностью выходного уровня. Они дешевле лазерных и часто применяются для анализа потерь в оптических кабелях малой длины. Однако использование их для измерения значительных величин затуханий оптического волокна, когда нужна значительная мощность передаваемого измерительного оптического сигнала, нецелесообразно, так как выходная мощность оптического излучения у них значительно меньше чем у лазерных диодов.

При разработке конструкций СИД необходимо уменьшать поглощение фотонов полупроводником и обеспечить эффективный ввод излучения в оптическое волокно.

2.3 Принцип действия и конструкция лазерных диодов

Полупроводниковый лазер это излучающий полупроводниковый прибор, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию когерентного оптического излучения.

В основе принципа действия лазера лежат три физических явления: — инверсия населенности;

— вынужденное излучение;

— положительная обратная связь.

Лазер состоит из трех основных элементов:

— активной среды (активного элемента), в которой создается инверсия населенности;

— источника накачки;

— устройства, обеспечивающего положительную обратную связь (оптический резонатор).

Общая структурная схема лазера приведена на рисунке 14

Рисунок 14 Общая структурная схема лазера Активная среда В качестве активной среды в инжекционных лазерах используют полупроводниковый кристалл с p-n переходом. При этом p-n переходом называется условная граница раздела двух областей кристалла, одна из которых имеет дырочный тип проводимости, а другая электронный.

В электронике для изготовления p-n переходов чаще всего используется один полупроводниковый материал (как правило, это кремний) и поэтому такие переходы называют иногда гомопереходами. В оптоэлектронике, в частности при изготовлении лазеров, возникает необходимость создания p-n переходов с использованием различных полупроводниковых материалов. Переходы, в которых используется более одного полупроводникового материала, называют гетеропереходами.

Так как показатель преломления полупроводниковых материалов, используемых в лазерной технике, обычно более 2,5, а в активной лазерной среде превышает 3,5, то коэффициент отражения на границе полупроводниковый кристалл воздух достаточно высок (0,3…0,6).

Однородный полупроводник при любом уровне легирования остается электрически нейтральным, но в слоях, с двух сторон примыкающих к p-n-переходу, электронейтральность отсутствует. В результате диффузии дырок из p-области в n-область и электронов в обратном направлении около p-n-перехода создается область объемного заряда q, а нейтральными будут только удаленные участки диода. Объемный заряд в p-области отрицательный, а в n-области положительный. Этот объёмный заряд создает внутреннее электрическое поле _внутр направленное из n-области в p-область.

Рисунок 15 Образование объемного заряда и внутреннего поля в p-n переходе Это означает, что с переходом из p-области в n-область электростатический потенциал электрона возрастает, а в нейтральных областях диода он постоянен.

Изменение потенциальной энергии электрона вблизи p-n-перехода приводит к искривлению энергетических зон полупроводника. Между p и n областями диода при отсутствии внешнего воздействия устанавливается термодинамическое равновесие и распределение электронов и дырок характеризуется одним уровнем Ферми E_F.

Если к лазерному диоду приложить электрическое напряжение в прямом направлении (плюс к p-области), то искривление зон уменьшится, поскольку внешнее электрическое поле направлено против внутреннего электрического поля _внутр, и снизится потенциальный барьер, созданный внутренним полем.

Рисунок 16 Полупроводниковый переход без внешнего поля

Электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу. Их квазиравновесное распределение по энергиям характеризуется двумя квазиуровнями Ферми F_n и F_p.

При этом в некотором слое полупроводника может оказаться, что

F_n - F_p > E_g, т. е. выполняется условие инверсной населенности.

Рисунок 17 Полупроводниковый переход при наложениипрямого внешнего поля

При одинаковой концентрации электронов и дырок квазиуровень Ферми в n-области заходит глубже в зону проводимости, чем в валентную зону в p-области, так как плотность состояний в зоне проводимости обычно меньше, чем в валентной зоне. В результате этого активный слой смещен в p-область диода.

При преходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие происходит излучение квантов света.

В активной области полупроводникового кристалла могут быть следующие электронные состояния:

— поглощение фотонов атомами кристалла;

— спонтанное излучение фотонов;

— стимулированное излучение фотонов.

В условиях термодинамического равновесия населённость электронами нижнего уровня N₁ всегда больше населённости верхнего N ₂. Поэтому электромагнитная волна теряет больше энергии, чем приобретает, то есть имеет место поглощение света.

Чтобы создать условия для усиления света необходимо, чтобы излучаемые волны в результате вынужденных переходов электронов с верхних уровней на нижние уровни по частоте, направлению распространения, поляризации и фазе были тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн.

Для усиление излучения необходимо, чтобы на верхнем уровне в расчете на одно квантово-механическое состояние было частиц (электронов) больше, чем на нижнем.

Оптический резонатор Для возникновения генерации в усиливающей среде необходима обратная связь. Такую связь осуществляют с помощью оптического резонатора.

Оптическим резонатором называется система отражающих, преломляющих, фокусирующих, дисперсионных и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля оптического диапазона, называемые собственными колебаниями, или модами резонатора.

Простейшим оптическим резонатором является плоский резонатор (интерферометр Фабри-Перо), состоящий из двух плоскопараллельных пластин, расположенных на расстоянии l друг от друга. В качестве одной пластины можно использовать «глухое» зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. Вторая пластина должна быть частично прозрачной, чтобы генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для увеличения коэффициента отражения пластин на них обычно наносят многослойные диэлектрические отражающие покрытия. Иногда их наносят непосредственно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды.

Рисунок 18 Структура оптического резонатора Ввиду высокого коэффициента усиления для получения оптического резонатора в полупроводниковых лазерах не требуется специальных зеркал. Достаточно сделать два торца диода параллельными друг другу и перпендикулярными к p-n-переходу.

При малых токах накачки в активной области, подобно светодиоду, возникает спонтанное излучение. При этом активная область излучает спонтанные фотоны (СПФ) во все стороны и большая часть эту область покидает. Часть фотонов спонтанного излучения отразятся от зеркала оптического резонптора и пройдут строго в плоскости активной области к противоположному зеркалу.

Спонтанное излучение одного из возбуждённых атомов активной среды (т.е. атома, находящегося на уровне E_с), прежде чем оно выйдет из объёма V резонатора, может вызвать вынужденные переходы других возбуждённых атомов и вследствие этого усилится.

Усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, то есть от направления. Если поместить активную среду в простейший оптический резонатор, то в наиболее благоприятные условия попадает волна, распространяющаяся вдоль его оси.

Фотоны, сталкиваясь с электронами, отдают им кванты энергии. Получив дополнительную энергию, некоторые электроны, находящиеся на энергетических уровнях в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками валентной зоны. Вновь возникают фотоны, но в отличие от спонтанных, они являются стимулированными (СТФ). Когерентные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности, и интерферировать между собой.

Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от отношения между фазами этих волн. Интерферировать могут только когерентные волны, которым соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного и того же или близких направлений.

Длина резонатора выбирается такой, чтобы на ней укладывалось целое число полуволн:

(5)

где q = 1,2,3… — число полуволн;

В результате каждого «прохода» интенсивность волны увеличивается, так как число СТФ растет лавинообразно, а поскольку число электронно-дырочных пар в единице объема, не меняется, стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. При некотором пороговом токе накачки спонтанное излучение окончательно подавляется, в резонаторе устанавливается стоячая волна, а сквозь полупрозрачные зеркала выходит поток когерентного излучения. Этот режим называют режимом генерации лазера.

В резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора.

Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми.

Накачка Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней, способную усиливать излучение, обычно называют активной или лазерной. Процесс возбуждения среды с целью выполнения условия N₂ > N₁ называется накачкой, а внешний источник возбуждения — источником накачки.

В полупроводниках активную среду возможно создавать;

1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;

2) оптическим возбуждением В технике оптических систем связи источником накачки полупроводниковых материалов является источник электрического тока.

В полупроводниковых лазерах преобладающим видом накачки является инжекция тока через p-n переход с использованием гетероструктур.

2.4 Сравнительный анализ основных технических характеристик светодиодов и лазерных диодов

Основными характеристиками полупроводниковых лазеров и светодиодов являются:

— выходная мощность и ватт-амперная характеристика;

— спектральная характеристика выходного оптического излучения;

— модовый состав оптического излучения;

— диаграмма направленности оптического излучения;

— быстродействие источников оптического излучения.

Выходная мощность и ватт-амперная характеристика Зависимость выходной мощности оптического излучения светодиода или лазерного диода от величины тока накачки называется ватт-амперной характеристикой. Типичная ватт-амперная характеристика светодиода (СИД) и лазерного диода (ЛД) приведена на рисунке 19.

Рисунок 19 Пример ватт-амперной характеристики светодиода (СИД) и лазерного диода (ЛД) Выходная мощность светодиода возрастает примерно линейно с увеличением тока накачки. Выходная мощность лазерного диода возрастает примерно линейно с увеличением тока накачки до порога генерации I _пор, а затем увеличивается лавинообразно в несколько раз до величины тока накачки I _3, при котором наступает перегрев кристалла и его разрушение. Аналогичное ограничение по току накачки имеет и светодиод.

Рабочий участок лазера, это квазилинейный участок от I _пор до I ₂, на этом участке производится цифровая модуляция оптического излучения лазера.

Выходная мощность оптического излучения лазерного диода в десятки раз больше выходной мощности оптического излучения светодиода.

Серьёзным недостатком лазерных диодов по сравнению со светодиодами является значительно меньшее время деградации, которое определяется как время в течении которого уменьшается излучаемая оптическая мощность в два раза при одном и том же токе накачки.

Так как ЛД работают при более высоких плотностях тока накачки, это приводит к более быстрой деградации полупроводникового слоя.

Спектральная характеристика выходного оптического излучения Одним из основных параметров светоизлучающих элементов является ширина спектра излучения, т. е. диапазон частот или длин волн, который охватывает излучение данного оптического прибора Лазеры являются когерентными источниками, обладающими узкой спектральной шириной излучения (0,1−3 нм). Светодиодные оптические источники имеют более широкий спектр излучения, обычно в пределах 50−200 нм. Спектральная характеристика оптического излучения лазерного и светодиодного источника представлены на рисунке 20.

Рисунок 20 Спектральная характеристика оптического излучения лазерного и светодиодного источников Ширина спектра оптического излучения источника () обычно определяется на уровне 0,5 от максимальной мощности излучения (Pu_max).

Примеры спектральных характеристик оптического излучения для светодиодов и разных типов лазеров приведены на рисунке 21

Рисунок 21 Спектральные характеристики оптического излучения Оптическое излучение на выходе светодиодов является многомодовым.

Модовый состав оптического излучения Состав оптического излучения на выходе лазерных диодов зависит от конструкции лазерного диода. В настоящее время в оптических системах связи наиболее широкое применение нашли следующие типы полупроводниковых лазеров: Оптическое излучение на выходе светодиодов является многомодовым.

Состав оптического излучения на выходе лазерных диодов зависит от конструкции лазерного диода. В настоящее время в оптических системах связи наиболее широкое применение нашли следующие типы полупроводниковых лазеров:

— лазеры Фабри — Перо (FP, многомодовые);

— лазеры с распределённой обратной связью (DFB, одномодовые);

— лазеры с распределённым брэгговским отражением (DBR, одномодовые).

— лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL, одномодовые).

В оптических тестерах и оптических рефлектометрах широко используются лазеры Фабри — Перо, так как их стоимость намного меньше других типов лазеров. Конструкция лазерного диода Фабри-Перо (FP) с двойной гетероструктурой приведена на рисунке 22.

Рисунок 22 Конструкция лазера с резонатором Фабри-Перо Диаграмма направленности оптического излучения Диаграмма направленности оптического излучения показывает распре — деление оптической мощности в пространстве на выходе светоизлучающего элемента. На рисунке 23 показаны примеры диаграмм направленности для лазерных диодов (ЛД) и светодиодов (СИД) при вводе оптического излучения в оптичекое волокно.

Рисунок 23 Ддиаграмма направленности: оптического излучения при вводе в оптическое волокно; а) СИД, б) ЛД Для СИД в параллельной и перпендикулярной плоскости: углы отклонения по вертикали и горизонтали _x,_y — 90^о-180^о, для ЛД: _х=20−30^о _y=30−60^о.

Таким образом, на выходе лазерных диодов формируется более узкий пучок оптического излучения, который легче вводить в оптическое волокно.

Быстродействие источников оптического излучения Быстродействие источников оптического излучения определяет время преобразования электрического сигнала в оптический сигнал.

На выходе источника импульс считается преобразованным, если его мощность достигла значения 0,9 Pu_max. Быстродействие характеризуется через время нарастания переднего фронта _н — это время в течение, которого амплитуда импульса изменяется от уровня 0,1 до 0,9 от максимальной мощности (Pu_max).

Рисунок 24 Быстродействие источников оптического излучения Время нарастания переднего фронта _н определяет максимальную частоту модуляции источника. Усреднённые данные о величинах быстродействия светодиодов и лазерных диодов приведены в таблице.

Таблица 1 Сравнительные данные о быстродействие источников оптического излучения (светодиодов СИД и лазерных диодов ЛД).

3. Основные эксплуатационные характеристики серийных измерительных источников оптического излучения и их сравнительный анализ

В настоящее время различными фирмами выпускаются значительное количество различных типов серийных измерительных источников оптического излучения.

Рисунок 25 Общая классификация серийных измерительных источников оптического излучения Серийные измерительные источники оптического излучения выпускаются следующих типов:

— на одну фиксированную длину волны оптического излучения с одним выходным интерфейсом;

— на две фиксированные длины волны оптического излучения с двумя выходными интерфейсами;

— с перестройкой длин волн оптического излучения с одним выходным интерфейсом;

— с регулировкой выходной оптической мощности;

— без регулировки выходной оптической мощности.

Измерительные источники оптического излучения (ИОИ) и измерители оптической мощности (ИОМ) конструктивно могут быть оформлены в виде отдельных приборов, или объединены в одном приборе и тогда они называются оптическими тестерами.

Основными эксплуатационными характеристиками измерительных источников оптического излучения (ИОИ) являются:

— диапазон длин волн оптического излучения;

— возможность перестройки длины волны оптического излучения;

— выходная мошность и возможность регулировки выходной мощности;

— ширина спектра оптического излучения:

— возможность цифровой модуляции оптического излучения вспомогательными цифровыми сигналами;

— тип оптических выходных интерфейсов (оптических адаптеров);

— электропитание (сухие элементы, аккумуляторы, адаптеры на 220 В).

Сравнительные эксплуатационные характеристики измерителныхисточников оптического излучения различных предприятий-производителей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные эксплуатационные характеристики серийных измерительных источников оптического излучения

4. Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

4.1 Общие сведения по учебному модулю

оптический диод измерительный Целью данной дипломной работы является разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения для систем оптической связи» по дисциплине «Метрология в оптических телекоммуникационных системах», которая изучается в рамках специальности «Физика и техника оптической связи».

Для изучения данной темы в учебном плане дисциплины отводится 2 часа для практического занятия и 2 часа для лабораторного занятия.

В связи с этим данный учебный модуль должен быть реализован в виде единого методического руководства к практическому занятию (2 часа) и лабораторному занятию (2 часа).

4.2 Содержание методического руководства к учебному модулю «Измерительные источники оптического излучения для систем оптической связи»

Методическое руководство к учебному модулю «Измерительные источники оптического излучения для систем оптической связи» имеет следующее содержание:

Раздел 1. Цель практического и лабораторного занятий.

Раздел 2. Краткие теоретические сведения о принципах построения и функционирования измерительных источников оптического излучения для систем оптической связи.

Раздел 3. Содержание лабораторного занятия Раздел 4. Содержание практического занятия.

Раздел 5.

Список использованных источников

.

Методическое руководство должно иметь электронную версию и печатную версию, которую преподаватель выдаёт группам студентов во время занятий.

Раздел 1. Цель практического и лабораторного занятий

Цель практического занятия

1. Изучить принципы построения и функционирования измерительных источников оптического излучения,

2. Изучить основные технические характеристики измерительных источников оптического излучения,

3. Изучить методы использования измерительных источников оптического излучения в условиях технической эксплуатации для производства измерений.

4. Ответить на вопросы теста.

5. Решить задачи по вариантам, заданным преподавателем.

Цель лабораторного занятия

1. Изучить конструкцию и технические характеристики измерительных источников оптического излучения серийного производства (в составе оптических тестеров FOD 1203).

2. Получить навыки подключения измерительных источников оптического излучения к измеряемым объектам. Получить навыки управления измерительными источниками оптического излучения, научиться выбирать режимы работы.

3. Изучить требования к выбору оптических соединительных шнуров для проведения различных измерений.

4. Выполнить измерение необходимых уровней передачи и приёма для определения затухания оптического волокна на ЭКУ учебной волоконно-оптической линии связи заданной конфигурации используя методы измерения изученные на практическом занятие;

4. Выполнить расчёт величины затухания оптического волокна и коэффициента затухания оптического волокна по результатам измерений используя методику и расчётные формулы изученные на практическом занятие;

5. Сделать выводы по результатам измерений и расчётов.

Раздел 2. Содержание кратких теоретических сведений о принципах построения и функционирования измерительных источников оптического излучения для систем оптической связи.