Источники оптического излучения для систем передачи

 

Теоретические вопросы:

1. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?

Ответ: 1. Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения.

2. Узкая спектральная полоса излучения.

3. Направленность излучения.

4. Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения.

5. Совместимость с приёмниками излучения и физическими средами передачи.

6. Когерентность излучения.

7. Миниатюрность и жёсткость исполнения.

8. Высокая технологичность и низкая стоимость.

9. Длительный срок службы (не менее  часов).

10. Высокая устойчивость к перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным).

1. Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?

Ответ: Чаще всего в оптических передатчиках систем связи применяют две конструкции лазеров: многомодовый лазерный диод полосковой геометрии с резонатором Фабри-Перо (Ф-П) и лазер с распределённой обратной связью (РОС или DFB) одномодовый.

 

                                                                         электрод

                                                                      Конструкция

                                                                        полоскового р+ GaAs

                                                                     лазераp+ AlGaAs (оболочка)

                                                                      p+ GaAs (активный слой)

                                                                      n+ AlGaAs (оболочка)

                                                                   n+ GaAs (подложка)

                                            электрод зеркало Ф-П

 

Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создаётся волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нём с помощью источника электротока создаётся инверсная населённость. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

 

                                                                         электрод

                                                                                  p+ InGaAsP

                                                                                     p+ InP

                                                                         p InGaAsP (активный)

                                                                                    n+ InGaAsP

                                                                                  n+ InP (подложка)

                                                                                   электрод

Структура лазера РОС.

 

2. Что представляет собой резонатор Фабри-Перо и какие он имеет характеристики?

Ответ: Резонатор лазера для оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нём сохранялось небольшое число мод, а остальные моды гасились. Примером такого резонатора открытого типа является резонатор Фабри-Перо:

 

у

зеркало

 

z

 

оптическая ось резонатора

длина резонатора

 

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Условие образования стоячих волн:

 

 

m=1, 2, 3…- число полуволн.

Открытый резонатор способствует разряжению мод по сравнению с объёмным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.

Важной характеристикой резонатора является его добротность:

 

 

где R – коэффициент отражения зеркала.

6. Каким образом в лазерах достигается одномодовый режим генерации?

Ответ: В отличии от лазеров Ф-П в лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, а образуется внутри самого лазера. Такая связь возникает благодаря распределённой структуре «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем. Резонатор образован между подложкой

 

n+ InP p+ InGaAsP.

 

Гофр представляет собой фазовую решётку (оптический фильтр) с очень высокой разрешающей способностью. Внутри резонатора могут сохраниться только лучи, отражающиеся от гофра под углом

 

Q+п/2.

 

9. Каким образом формируется и направляется излучение в атмосферных системах передачи?

Ответ: В атмосферных оптических системах связи основная сложность состоит в изменчивости атмосферной прозрачности и рефракции оптического луча. Т.о., осуществить строгую фокусировку луча от передатчика к приёмнику не представляется возможным. Для того, чтобы получить максимальную мощность в приёмном устройстве, необходимо учесть не только направленные свойства источника излучения, но и апертуру приёмника, дифракционные искажения при выводе излучения в атмосферу, рефракцию и поглощение в атмосфере и согласующих устройствах.

В плоскости приёмной апертуры должно формироваться изображение излучаемой мощности от передатчика. Для этого используется система расширения светового коллимированного пучка. Это уменьшает расходимость, обусловленную дифракцией света.

Благодаря расширителю пучка получены угловые расходимости лазерного излучения в пределах 0,5-3 мрад при мощности передатчика от 10 до 45 мВт и дальности передачи от 0,5 до 5 км.

 

Расширитель пучка.

 

 

Задача 2:

Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).

Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн Δλ при длине резонаторa L и показателе преломления активного слоя n.

Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде λ₀ при коэффициенте отражения R.

Изобразить конструкцию полоскового лазера FP. Изобразить модовый спектр.

Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Изобразить конструкцию лазера DFB.

 

Дано:

Параметр лазера FP	L, мкм	, нм	n	, мкм	R
	360	40	3.9	0,42	0,3
Параметр лазера DFB	Длина лазера L, мкм	Порядок решётки m	Шаг решётки D, мкм	Показатель преломления
	550	4	0,2	3,57

 

Решение:

Определим частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде λ₀ :

Частота моды определяется из соотношения:

 

f₀ = с / λ₀

 

где: м/с – скорость света.

Гц;

Определим

 

f_m+1 ; f_m-1 из λ_max и λ_min.

 

;

 

Тогда:

 

;

 

Частотный интервал между модами  равен:

 

;

 

Добротность резонатора на центральной моде λ₀ определяется из соотношения:

 

;

 

число мод определяется:

 

;

 

Определим частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Для определения длины волны и частоты генерации одномодового лазера DFB существует соотношение:

 

;

м;

;

 

Частота, на которой возникает генерация:

 

;