575_Vardanjan_V.A._Raschet_kharakteristicheskikh_parametrov_komponentov_VOSS__

Федеральное агентство связи федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(СибГУТИ)

В.А. Варданян

Расчет характеристических параметров компонентов волоконно-оптических систем связи

Учебно-методическое пособие

Новосибирск

2015

УДК 621.396.4

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензент: д-р. тех. наук, Н.И. Горлов

Варданян В.А. Расчет характеристических параметров компонентов воло- конно-оптических систем связи : Учебно-методическое пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новоси-

бирск, 2015. – 38 с.

Учебно-методическое пособие предназначено для использования в качестве основного дидактического материала по выполнению курсовой работы и состоит из четырех частей по основным разделам курса «Основы оптической связи»; каждая часть содержит расчеты по пунктам, что способствует лучшему усвоению материала студентом. Данное пособие можно использовать как практикум по дисциплинам «Основы оптической связи», «Физические основы оптической связи», т.к. приведенные в пунктах расчеты применимы для закрепления пройденного теоретического материала на практических занятиях или при самостоятельной подготовке студентов. В конце пособия приводится заключение и список литературы.

Данное пособие может быть полезно студентам, интересующимся вопросами проектирования оптоэлектронных приборов и систем.

Кафедра многоканальной электросвязи и оптических систем

©Варданян В.А., 2015

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2015

2

3

Основные требования к выполнению

иправила оформления курсовой работы

1.Курсовая работа должны быть аккуратно оформлена, напечатана на одной стороне листа формата A4 в текстовом редакторе Microsoft Word с размером шрифта 14, с междустрочным интервалом 1,5. Это позволит рецензенту делать замечания и указания по тексту работы, а студенту – вносить исправления по ходу решения задач, а не на отдельных страницах в конце работы. Содержание текста должно быть изложено литературным языком, без сокращений, упрощений и т.п. Первый номер страницы (не нумеруется) присваивается титульному листу, все остальные нумеруются в той последовательности, в которой они располагаются по тексту изложения. Курсовая работа должна быть сброшюрована или переплетена.

2.Формулы, по которым ведется расчет, должны приводиться в тексте полностью, с объяснением всех обозначений. При расчетах рекомендуется использовать физические величины в международной системе единиц СИ. Однако в некоторых случаях итоговый результат необходимо представлять в удобном для восприятия виде. Так, например, в оптическом диапазоне длину волны принято представлять в микрометрах (мкм) или нанометрах (нм), а не в метрах (м),

аоптическую мощность приводить в милливаттах и дБм. Окончательный численный результат вычислений округляется до двух значащих цифр (например, 2,567651 В = 2,57 В). При расчете элементов цепи (резистор, конденсатор) необходимо выбрать их номинал, а в последующих расчетах использовать номинальные значения.

3.При решении задач следует сопровождать расчеты краткими пояснениями, выводами и оценками. При этом обязательны ссылки на использованную литературу, из которой заимствованы материалы. Такие ссылки делаются указанием в скобках номера (без указания страниц, таблиц и рисунков), под которым значится в списке литературы данный литературный источник. В конце контрольной работы необходимо привести список литературы. Все физические величины и параметры в формулах должны сопровождаться пояснительным текстом.

4.Графическая часть выполняется с использованием графического редактора или на миллиметровой бумаге с соблюдением правил черчения и существующих стандартов с указанием на чертеже всех характеризующих значений. Графический материал не должен закрывать основной текст работы, должен иметь номер и подрисуночную надпись.

5.Задания на курсовое проектирование составлены по вариантам. Номер

варианта формируется из трех букв «X», «Y», «Z» и задается преподавателем,

где X;Y;Z { , , } или X;Y;Z { , , } или X;Y;Z { , , }. Номер вариан-

та задания указывается студентом в начале контрольной работы. Необходимо выписать из таблиц исходные числовые данные соответствующего варианта задания.

4

6.Курсовая работа должна содержать:

Введение (включая структурную схему волоконно-оптической системы связи);

Расчеты и все графические материалы (включая структурную схему ППЛ, схему подключения) по I части;

Расчеты и все графические материалы по II части;

Расчеты и все графические материалы (включая структурную схему ФД, схему подключения) по III части;

Расчеты по IV части;

Заключение.

7.Курсовая работа, выполненная без соблюдения перечисленных требований, не засчитывается и возвращается для переработки. Курсовая работа, выполненная не по своему варианту, аннулируется.

5

Введение

В общем виде структурная схема для организации волоконно-оптической системы связи представлена на рис.1. На передающей стороне источники сообщения (ИС) (аналоговые/цифровые) объединяются/мультиплексируются в системе передачи (СП), на выходе которой полученный групповой электрический сигнал через оборудование сопряжения (ОС) подается на оптический передатчик (ОПер), в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический и вводится в оптическое волокно (ОВ) в точке «S». Распространяясь по ОВ, сигнал достигает точки «R» оптического приемника (ОПр), где происходит оптоэлектронное преобразование и дальнейшая обработка и выделение сообщений. Часто ОПер и ОПр изготавливаются в виде модулей, в которых присутствуют схемы модулятора/демодулятора, усилителей, схемы управления и диагностики и т.д. Заметим, что данная структурная схема передачи предназначена для организации связи в одном направлении на одной оптической длине волны. Для организации двусторонней передачи необходимо использовать второе ОВ и обеспечить оконечные пункты возможностью передачи и приема. На практике между оконечными пунктами укладывается оптический кабель (ОК), состоящий из множества оптических волокон, уложенных по определенной системе и заключенных в защитные оболочки.

Рис.1. Структурная схема волоконно-оптической системы связи

В телекоммуникации в качестве источников света в ОПер используют полупроводниковые лазеры (ППЛ), редко – светоизлучающие диоды (СИД), а в ОПр в качестве фотодетекторов p-i-n или лавинные фотодиоды (ФД). К этим компонентам в волоконно-оптических системах связи предъявляется ряд требований. Так, например, источники света должны обеспечивать достаточно высокую мощность излучения при не очень высоких токах накачки, длина волны излучения должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь в ОВ, а при согласовании с ОВ оптико-геометрические характеристики источника излучения должны обеспечивать высокую эффективность ввода излучения в ОВ. Основными требованиями, предъявляемыми к фотодиодам, являются высокая чувствительность в рабочих диапазонах длин волн, достаточно большая полоса пропускания или высокое быстродействие, минимальные шумы. Для конкретной волоконно-оптической системы связи все компоненты должны иметь определенные и стабильные характеристики. О качестве работы волоконнооптической системы связи можно судить по степени соответствия сигналов на передающей и приемной стороне. Параметром оценки является отношение С/Ш.

6

В данной курсовой работе необходимо рассчитать основные характеристические параметры оптических компонент волоконно-оптической системы связи, начиная с оптического передающего модуля, а точнее тока накачки ППЛ, и заканчивая расчетом С/Ш на выходе ФД в оптическом приемном модуле. Необходимо отметить, что для упрощения расчетов в учебных целях в объемах курса сделаны некоторые допущения, так, например, приводимые расчетные формулы в I части справедливы при использовании в качестве ППЛ гомолазера. В этих формулах не учитываются модуляционные характеристики, релаксационные колебания, шумы ППЛ, т.к. предполагается, что ППЛ накачивается постоянным током. При выполнении II части не учитываются дисперсионные, поляризационные искажения, учитываются только потери оптической мощности в ОВ и на разъемных, сварных соединениях, причем предполагается использование на строительных длинах ОВ с одинаковыми характеристиками. При выполнении III части сделано допущение, что заданная величина запрещенной зоны соответствует коэффициенту поглощения материала, который выбирается студентом графическим способом из рисунка. Методика расчета сопротивления нагрузки в цепи ФД имеет оценочные свойства. В IV части при расчете C/Ш учитываются только квантовый и тепловой шум. Исключенные из рассмотрения вопросы будут подробнее изучаться на следующих курсах.

7

I часть

Техническое задание по расчету параметров ППЛ

Изучите конспект лекций, учебную литературу и с помощью методических указаний I части выполните следующие пункты согласно вашему варианту задания. Все необходимые числовые значения параметров для расчета приведены

втабл.1:

1.Рассчитайте ток Iпорог порога самовозбуждения ППЛ.

2.Постройте ватт-амперную (ВАХ) характеристику ППЛ при температуре Ts. Максимальный ток взять 1,5·Iпорог.

3.Постройте семейство ватт-амперных (ВАХ) характеристик ППЛ при температуре Ts+i·δT (i=1,2). Максимальный ток взять 1,5·Iпорог .

4.Постройте спектральные характеристики коэффициента усиления при 3-х значениях тока накачки I=0,7· Iпорог , Iпорог , 1,5· Iпорог.

5.Рассчитайте количество генерируемых мод.

6.Оцените ширину эмиссионной линии при токе накачки 1,5· Iпорог.

7.Постройте диаграмму направленности ППЛ. Определите угол расходимости на половинном уровне по интенсивности.

8.Рассчитайте коэффициент полезного действия (КПД) и внутреннее сопротивление ППЛ.

Табл.1.

8

Методические указания по выполнению заданий I части

Простейшая структура полупроводникового лазера (ППЛ) представлена на рис.2. Она состоит из легированных p и n областей, между которыми находится очень тонкая (0,1 ÷ 1)мкм активная область, в которой с помощью источника питания Uп создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов параллелепипеда шлифуются и являются зеркалами, расположенными строго параллельно друг другу, и образующими резонатор Фабри-Перо.

Рис.2. Простейшая структура ППЛ

Обычно p-n-переход формируется путем эпитаксиального выравнивания слоя p-типа на подложке n-типа. В каждой области создаются омические контакты, чтобы пропускать электрический ток, который является источником накачки, необходимым для создания инверсной населенности в активной области, примыкающей к переходу. Два параллельных торцевых зеркала создают оптическую обратную связь (положительную).

Положение энергетических зон и электронная заселенность для p-n- перехода без смещения показаны на рис.2. Энергия Ферми имеет одинаковое значение на протяжении всего образца, что соответствует тепловому равновесию. Большая концентрация легирования акцепторной примесью (p-тип) вызывает смещение границы между заполненными и незаполненными состояниями вниз (т.е. перемещение уровня Ферми) к валентной зоне, поэтому все состояния зоны проводимости, а также состояния около верхней части валентной зоны остаются пустыми. Характерно, что все электронные состояния до уровня Ферми EF заполнены, но над ним не заполнены.

На рис.2 показано, что происходит, если к переходу в прямом направлении приложено напряжение смещения Uп, которое почти равно напряжению, соответствующему ширине запрещенной зоны (Eg/e). Уровень Ферми в n-области

9

повышается относительно уровня Ферми в p-области за счет ∙ п и появляется узкая область, называемая активной, которая содержит и электроны, и дырки, и является дважды вырожденной. Электромагнитное излучение частоты << (2 − 1)/ , распространяющееся через эту область, усиливается.

Рис. 3. Энергетические зоны в простейшем ППЛ при п = 0

и при п ≈ 0/

При малых токах накачки в активной области, как и в светоизлучающих диодах, возникает спонтанное излучение. При этом активная область излучает спонтанные фотоны во все стороны и большая их часть эту область покидает. Часть из них отразится от зеркала резонатора и пройдет строго в плоскости активной области к противоположному зеркалу. Сталкиваясь с электронами, они отдадут им кванты энергии. Получив дополнительную энергию, некоторые электроны, находящиеся на энергетических уровнях в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками валентной зоны. Вновь возникнут фотоны, но в отличие от спонтанных, они являются индуцированными (stimulated), а излучение, которое они вызывают, называют вынужденным или стимулированным.

10