Оптический передатчик

Оптический передатчик является электрооптическим прибором для преобразования электрических сигналов в оптические сигналы. Он состоит из когерентного источника света и промежуточных соединительных компонентов между коаксиальным входом и оптическим выходом. С выхода оптического передатчика оптический сигнал подается в оптическое волокно. 

Основные факторы при выборе оптических передатчиков

1. Быстродействие (скорость переключения). Источник должен иметь малое время переключения (включения и выключения), чтобы соответствовать требованиям к скорости передачи информации в системе. Скорость переключения определяется временем нарастания (время, требуемое для увеличения выходной мощности источника от 10 до 90 %).

2. Выходная мощность. Источник должен иметь выходную мощность, достаточную для того, чтобы на выходе волокна было возможно уверенное детектирование оптического сигнала. Уровень выходного сигнала источника должен значительно превышать потери на проход через волокно и на волоконных соединениях и обеспечивать достаточное отношение сигнал/шум на входе детектора.

3. Длина волны выходного сигнала. Длина волны света, излучаемого источником, должна быть стабильна, а потери на этой длине волны должны быть минимальными в полосе пропускания волокна.

4. Ширина спектра излучения. В идеальном случае спектр излучения источника должен включать единственную длину волны, чтобы материальная дисперсия в волокне была минимизирована. Но спектр излучения реальных источников включает множество гармоник, поэтому его ширина определяется по уровню 50 % от максимального выходного значения амплитуды.

Важнейшей частью оптического передатчика является специальный источник когерентного направленного излучения, преобразующий входную электрическую энергию в выходную световую энергию. Такими преобразователями являются светоизлучающие диоды (LED) и лазерные (LASER) диоды. Те и другие источники изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих излучающими свойствами, например, на основе арсенида галлия (GaAs). Первое поколение оптический передатчиков было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 850 нм в много-модовом режиме. К второму поколению относятся одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1310 нм. Позднее светодиодные излучатели были заменены на более качественные суперлюминисцентные диоды и лазеры.

Третье поколение передатчиков было создано на основе лазерных диодов с рабочей длиной волны 1550 нм. Последнее, четвертое поколение оптических передатчиков дало начало когерентным системам связи, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы оптического излучения. Такие системы связи обеспечивают очень большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну без оптической регенерации - до 2,5 Гбит/с при протяженности линии более 500 км. Рассмотрим структуру обоих типов излучателей.

Светоизлучающий диод (Light Emitted Diod) представляет собой р-n переход, который самопроизвольно излучает свет при пропускании через него электрического тока. Вводя в переход путем легирования атомы различных добавок, таких как индий, алюминий, фосфор, можно менять длину волны излучения диода. Конус излучения LED-диодов значительно больше, чем апертура одно-модового оптического волокна. Вследствие этого эффективность ввода излучения LED-диода в волокно с маленьким диаметром очень низка, если не применяется специальных методов локализации излучения. Хотя существует множество различных способов производства LED-структуры, в настоящее время преимущественно используется два: с воронкообразным эмиттером и с краевым эмиттером. Обе эти структуры показаны на рис. 11.1.

Диод с воронкообразным эмиттером излучает свет с поверхностной области открытого углубления в виде воронки. Такая структура испускает широко расходящийся световой луч. Диод с краевым эмиттером излучает свет из узкой полоски, вложенной в полупроводник, и получаемый в этом случае световой луч существенно уже, чем в первом случае.

 

Характерстики LED-источников

• Широкий спектр выходного излучения.
• Относительно слабая зависимость выходной мощности излучения от температуры, что позволяет упростить конструкцию прибора и обойтись без температурной компенсации.
• Излучающий элемент имеет довольно большие размеры, поэтому потери при вводе света в волокно могут составлять более 10 дБ.
• Продолжительное время эксплуатации.
• Высокая емкость излучающего элемента может препятствовать цифровой модуляции на высоких скоростях.
• Зависимость выходной мощности излучения от входного тока линейна в большей части диапазона, что особенно хорошо для систем с аналоговой модуляцией.
• Выходная мощность ниже, чем у лазерных диодов.
• Невысокая стоимость.

По вышеперечисленным характеристикам LED-источники наилучшим образом подходят для служб с низкими скоростями передачи и систем небольшой протяженности, где недостатки этих приборов не слишком существенны. Использование многомодового волокна с большим диаметром сердцевины имеет много преимуществ в системах ограниченной длины, например, в пределах одного многоэтажного здания или группы близлежащих зданий. В таких случаях широкополосное излучение диода не будет серьезным ограничением.

Лазерные диоды являются также полупроводниковыми источниками. Понятие лазер происходит от аббревиатуры английского названия оптического квантового генератора (Light Amplification by Stimulating Emission and Radiation). Основным элементом структуры лазера является оптический резонатор, представляющий собой объемную полость из оптического материала. Лазерный диод (или просто лазер) может функционировать как обычный LED-диод, пока возбуждающий входной ток не достигнет порогового значения. В этой точке процесс рекомбинации излучаемых фотонов (который происходит в обычном LED) начинает стимулировать дополнительную эмиссию фотонов внутри оптического резонатора. Этот процесс называется оптической генерацией. Типичная структура лазера показана на рис. 11.2.

С увеличением температуры прибора пороговое значение тока растет и выходная оптическая мощность изменяется. Длина волны выходного оптического излучения зависит от температуры и в связи с этим лазерам, в отличие от LED-диодов, требуется температурная компенсация, поэтому устройство лазеров значительно более сложно, чем устройство LED-диодов. Одним из используемых методов температурной компенсации является термоэлектрическое охлаждение с обратной связью (ТЕС). Когда электрический ток проходит через материал лазера, одна его сторона нагревается сильнее. Чувствительным элементом лазера является термистор, реагирующий на изменение температуры изменением сопротивления. С его помощью ток возбуждения лазера автоматически регулируется и стабилизируется. Схема передатчика на основе лазерного диода с термоэлектрическим контролем показана на рис. 11.3.

В дополнение к температурной стабилизации большинство лазеров включают контроль смещения, обеспечивающий стабилизацию самого порогового тока, который в противном случае мог бы также измениться под воздействием температуры. Схема передатчика с устройством контроля смещения порога показана на рис. 11.4.

Очевидно, функции стабилизации увеличивают сложность, а следовательно, и стоимость лазерных диодов по сравнению с обычными LED-диодами. Важным свойством лазерных излучателей является линейность выходной характеристики, что особенно важно при трансляции аналоговых сигналов.

Именно поэтому индекс модуляции, как в прямом, так и в обратном (если он есть) канале оптической системы, невелик (не превышает 10%).

 

Характеристики лазерных источников света 

• Выходная мощность зависит от температуры и требует сложной температурной компенсации, которая встраивается в прибор.
• Длина волны излучения зависит от температуры.
• Пороговый ток необходимо контролировать путем наблюдения за мощностью выходного излучения.
• Лазеры обычно производят некоторое оптическое излучение все время благодаря тому, что даже в режиме покоя они находятся в смещенном состоянии выше порогового тока генерации, чтобы в рабочем режиме избежать попадания в пороговую область.
• Обычно лазеры имеют более высокую мощность излучения, чем LED-диоды.
• Лазеры излучают более узкий световой луч, что упрощает ввод излучения в волокно с маленьким диаметром сердцевины.

 

• Лазеры имеют очень узкий, почти монохроматический, спектр излучения, т.е. все излучение сосредоточено на одной длине волны или рядом с ней. Этим объясняется то, что материальная дисперсия в волокне в этом случае минимальна.
• Лазерные диоды более дороги, чем светоизлучающие.
• Лазеры обычно имеют менее продолжительное время эксплуатации, чем LED-диоды.
• Лазеры имеют более короткое время нарастания, что позволяет использовать их для модуляции на высоких скоростях передачи.

Ввиду вышеперечисленных факторов лазеры более предпочтительны для передачи сигналов служб, требующих высоких скоростей, и систем большой протяженности, в которых используется одномодовое волокно.

Требования стандарта EN-50083 к набору показателей, публикуемых производителем в спецификации оптического передатчика

• Тип источника света (например, LED или DFB лазерный диод).
• Средняя выходная мощность в дБм и ее допуск на оптическом интерфейсе в режиме основной моды.
• Центральная длина волны и ее допуск в нм.
• Диапазон длин волн в нм.
• Спектральная ширина при модуляции.
• Максимальная относительная интенсивность шума.
• Отношение C/N при указанном оптическом индексе модуляции.
• Минимальный оптический коэффициент возвратных потерь.
• Напряжения и ток питания.
• Тип волоконного соединителя или сплайса.
• Тип волокна.
• Среднее время наработки на отказ (MTBF).
• Модуляционные характеристики.
• Электрический входной уровень и допуск для указанного индекса модуляции.
• Диапазон модуляционных частот.
• Неравномерность модуляционной характеристики.
• Композитные искажения второго порядка с условиями измерения.
• Композитные тройные биения с условиями измерения.
• Композитная кроссмодуляция с условиями измерения.
• Влияние дисперсии на частотную характеристику, CSO, СТВ и СХМ.

Приемник может быть снабжен индикаторами тревоги и отказа при отклонениях выходного оптического уровня и номинальной температуры, а также индикатором "on", индицирующим включение светового излучения. Электрический входной порт прибора должен иметь номинальный импеданс 75 Ом (в некоторых случаях, указанных в стандарте, допустим импеданс 50 Ом). Коэффициент возвратных потерь должен соответствовать одной из категорий, приведенных в EN 50083.