Волоконно-оптические линии связи

Страница 8

С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые по­зволили получить импульсный режим при комнатной температуре.

Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт. правда, в предположении хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.

6.3 Проблема вывода световой энергии

Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без объ­емного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера, применяются для конструи­рования светоизлучающих диодов. При этом индуцируемое в результате рекомбинации носителей зарядов световое излучение распространяется во всех направлениях и задер­живается в элементе только вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или из-за неизбежных контактных поверхностей электродов и поверхностей охлаждения.

В простейшем случае здесь можно использовать и вы водить излучение, распро­страняющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются краевыми излу­чателями. Если устроить в электроде окно, то можно направить излучение перпендику­лярно плоскости активной зоны и получить поверхностный излучатель.

Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для светоиз­лучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.

6.4 Срок службы источников света

Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы выходная све­товая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее гарантированное для ука­занного времени значение даже за счет повышения тока в диоде.

Если оптический передатчик, например, на узле связи, должен проработать без за­мены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок службы около 100000 ч (считая продолжительность года равной приблизительно 10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к действительному. Хотя для них редко называют гарантийные сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожале­нию, для, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970 г. в лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в непрерывном ре­жиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны раз­личные структуры и геометрии, приемлемые для конструирования и изготовления лазе­ров непрерывного излучения, работающих при комнатной температуре.

Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени измерений. При этом лазер­ные диоды заставляют работать в жестких условиях (как правило, при очень высоких температурах, 50- 70°С). На основании этого судят об ожидаемом сроке службы в нор­мальных условиях. При этих предположениях в конце 70-х годов многими изготовителя­ми предсказывались ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 ч, а в отдельных слу­чаях — свыше 1 млн. ч. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует гарантия наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.

Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют оптими­стические прогнозы.

Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться о т привычной в настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и температуры на отдавае­мую лазером и светоизлучающим диодом световую мощность.

6.5 Лазер или светоизлучающий диод?

В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом. Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.

Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов источников с годами она будет, естественно падать, но все же светоизлучающий диод в этом отноше­нии имеет преимущество: он дешевле лазера со сравнимыми параметрами при высокока­чественной работе, столь необходимой для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световода­ми с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в пластмас­совой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно большую часть излучаемого света.

Типичные параметры полупроводниковых источников света.

Параметр	Свето- излучаю- щий диод типа Брусса	Краевой излучатель	Лазер (полосковая геометрия)
Вводимая в световод мощность, мкВт: сердечник Ä 50 мкм; числовая апертура 0,2 сердечник Ä200 мкм; числовая апертура 0,3 Время нарастания импульса, нс Ширина спектра, нс	1-10 20-200 10-50 40	200-100 100-500 3-10 40	500-2000 2000-5000 0,3-1 20

Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции. Светоизлучающие диоды прежде всего «медлительнее» лазеров. В зависимости от конструкции, имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть модулированы часто­тами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со скоро­стью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможно­стей (в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоро­стью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде бо­лее высокой выходной мощности (см. табл.).

Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства световода. Помимо этого не­обходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот. Это свойство может играть суще­ственную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропу­скную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допус­кать в минимальных пределах.

Глава седьмая

СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ

7.1 Необходимость преобразования света в электрический ток

На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию (передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).

Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему передачи, то сейчас, на­верное, у нас была бы хорошо развитая техника, которая непосредственно преобразовы­вала бы световые сигналы в акустические или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут осуществлены. На сегодняшний день решения этой пробле­мы нет. Все существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем управления элек­тронными лучами в кинескопе с помощью электрических сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет электрического тока.