Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рис. 3.15. Структура лазера с фильтрующей решеткой LGLC

Рис. 3.16. Разрез секции фильтрации моды излучения

Рис. 3.17. Характеристика перестройки волны в фильтрующей области LGLC

131

Рис. 3.18. Диапазон перестройки лазера LGLC

3.2.6. Источники излучения Y-Branch laser DBR

Предлагаемая к рассмотрению конструкция имеет название Modulated Grating Y-branch laser (MGY) – модулированные решетки с разветвителем [38].

Одномодовые лазеры конструкции в виде Y–формы представляют собой сочетание трех отражательных систем (рис. 3.19): две параллельные отражательные распределенные брэгговские решетки (DBR) – отражатель 1 и отражатель 2; последовательно включенный объединяющий многомодовый интерферометр MMI (Multi-Mode Interferometer). Эти отражательные системы имеют различные спектральные характеристики (рис. 3.20), где между пиками отражения (1, 2 и 3) различные частотные интервалы 630 и 700 ГГц.

Перестройка лазера производится аналогично конструкции лазера SG-DBR электрическим током отдельной и общей фазовых зон (до 1 мА) и отражателей (до 15 мА), получая совпадение трех пиков, можно добиться подавление боковых мод более чем 40 дБ. Величина перестройки 5–6 ТГц (до 32 нм). Достигнутая при этом максимальная мощность излучения составляет 29 мВт (реальные значения уровня 10–15 дБм), а вариация мощности при перестройке не превышает 1,5 дБ.

Рис. 3.19. Структура лазера Y-branch

132

Рис. 3.20. Спектральные характеристики отражения: а) первый отражатель; б) второй отражатель;

в) многомодовый интерферометр; г) суммарная характеристика отражения

3.2.7. Источники излучения с внешним резонатором ECL

Узкополосные перестраиваемые лазеры для широкого диапазона волн эффективно реализуются с использованием внешних резонаторов [39]. Они имеют обозначение Extended Cavity Laser (ECL). При этом управление может быть механическим, связанным со смещением избирательных отражательных элементов и термическим, связанным с изменением температуры тела генерирующей среды (активного слоя полупроводникового лазера). Пример общей схемы механического управления излучением лазера приведен на рис. 3.21, где длина волны излучения определяется в связке схемы полупроводникового лазера Фабри–Перо, плоского отражающего зеркала и избирательной отражательной решетки. Плоским отражающим зеркалом меняется угол падения отраженного излучения относительно точки смещения.

Другое решение по перестройке длины волны излучения с применением внешней избирательной системы приведено на рис. 3.22, где для управления длиной волны используется температурное воздействие на оптические фильтры, имеющие различные частоты настройки.

133

Рис. 3.21. Схема лазера с внешней перестройкой длины волны излучения

Температурными изменениями добиваются настройки фильтров на одном из множества пиков отражения волн, где и происходит генерация излучения благодаря полупроводниковому оптическому усилителю и отражающей системе с делением мощности. Изолятор предотвращает проникновение в среду генерации отраженных от волокна волн.

Рис. 3.22. Схема термоперестраиваемого лазера ECL Emcore

Пример современного конструкционного исполнения лазера ECL представлен на рис. 3.23, где нетрудно обратить внимание на его малые габариты в сравнении с габаритами физической платы для лазера и сопровождающей электроники.

134

Рис. 3.23. Конструкция лазерного модуля Tunable ECL TTX1994 ITLA

Рисунок 3.24 – пример спектральной характеристики излучения лазера, представленный в документации производителя Emcore [39]. Другие характеристики помещены в табл. 3.2, по которой нетрудно составить сравнительную оценку некоторых рассмотренных лазеров для когерентных систем.

Рис. 3.24. Спектральная характеристика излучения лазера TTX1994 ITLA

135

Табл. 3.2. Характеристики лазеров когерентных систем

3.3.Способы модуляции оптического излучения Схемы и характеристики модуляторов

Вкогерентных оптических системах передачи на скоростях от 40 Гбит/с и выше до известных решений 1 Тбит/с используется исключительно внешняя модуляция оптического излучения электрическим воздействием на среду распространения этого излучения. При этом электрический модулирующий сигнал

имеет, как правило, двоичное представление в форматах RZ или NRZ (рис. 3.25), а оптический сигнал в среде модуляции может иметь непрерывный характер или быть представленным оптическими импульсными посылками.

Рис. 3.25. Форматы электрических сигналов для модуляции излучения: NRZ – Non Return to Zero – кодирование без возвращения к нулю,

RZ – Return to Zero – возвращение к нулю

136

Параметрами модуляции оптического излучения могут быть: интенсивность оптического излучения (двухуровневые, трехуровневые,… n-уровневые); фазовые состояния оптических импульсных посылок (бинарные, квадратурные, 8-ми позиционные и т. д.); частотные состояния (2-х частотные, 4-х частотные и т. д.); поляризационные состояния (однополяризационные, двухполяризационные и т. д.); смешанные состояния оптического сигнала при модуляции, т. е. сочетание выше указанных.

В зависимости от параметров модуляции строятся схемы внешних оптических модуляторов, которые, в свою очередь, базируются на различных электрических и оптических эффектах, например, эффект Франца–Келдыша в обратно смещенном (запертом) p-n-переходе или электрооптический эффект Поккельса в анизотопных оптических кристаллах ниобата лития (LiNbO3), нелинейный эффект Керра и др.

Для реализации относительно простой внешней модуляции интенсивности оптического излучения применяются электроабсорбционные модуляторы

(Electro-Absorption Modulators, EAMs), и модуляторы Маха–Зендера (Mach– Zehnder, MZ), встраиваемые (интегрируемые) в схемы с источниками излуче-

ния (рис. 3.26, 3.27, 3.28, 3.29).

Рис. 3.26. Структура лазера с модулятором EAM

В модуле с EAM модуляция излучения по интенсивности (мощности на единицу площади) происходит от изменения напряженности электрического поля в слое InGaAsP EAM (рис. 3.26), примыкающем к аналогичному слою с брэгговской решеткой лазера DFB. Электрический ток, пропускаемый через конструкцию DFB, порождает одномодовое узкополосное когерентное излучение, которое почти беспрепятственно проникает в широкий слой среды, прозрачность которой зависит от величины напряженности электрического поля в обратно смещенном или запертом p-n-переходе EAM (рис. 3.27 диаграмма модуляции). Электрический ток через среду модулятора не протекает, а случайный ток от лазера DFB отсекается изолятором. При этом полоса частот модуляции определяется межэлектродной емкостью, собственной емкостью запертого

137

p-n-перехода и сопротивлением цепи модулирующего сигнала. Контроль излучаемой мощности лазера производится с помощью фотодиода PD.

В модуле с MZM модуляция интенсивности излучения или фазы излучения происходит от изменения напряженности электрического поля между электродами одного или двух волноводных каналов (рис. 3.28, 3.29, 3.30), выполненных в подложке из электрооптического материала (чаще всего из ниобата лития, обозначаемый LiNbO3 или LN). Электрическое поле в электрооптическом материале воздействует на коэффициент преломления, т. е. на скорость распространения электромагнитной волны в волноводе. Это способствует изменению фаз волн в двух параллельных каналах, т. о., электромагнитная волна со входа поровну разделенная ветвителем 1×2 (Y-направленный разветвитель), прошедшая с разной скоростью в параллельных волноводах, складывается в объединителе 2×1 (Y направленный объединитель) с разностью фаз от 0 до 1800 или от 0 до π радиан.

Рис. 3.27. Пример построения оптического передатчика со схемой электроабсорбционного модулятора EAM, диаграмма модуляции мощности (интенсивности) и его модуляционная характеристика

с различными напряжениями модуляции [40]

138

Напряжение электрического поля, созданное модулирующим сигналом, при котором разность фаз равна π, называется полуволновым, обозначаемом Vπ или Uπ. При этом напряжении оптическая мощность на выходе MZM практически полностью отсутствует. Таким образом, модулирующее напряжение должно изменяться в таких пределах, чтобы фазовый сдвиг находился в интервале от 0 до π радиан и тогда будет формироваться модулированный по интенсивности оптический сигнал (рис. 3.30, б). Полоса частот модуляции, как и в EAM, определяется межэлектродной электрической емкостью и сопротивлением цепи модулирующего сигнала и обычно не превышает 20–50 ГГц.

Рис. 3.28. Структура модулятора MZ

Рис. 3.29. Пример построения оптического передатчика со схемой модулятора MZ

139

Рис. 3.30. Модулятор MZ

и модуляция оптической мощности (интенсивности) излучения

Одной из основных проблем простой внешней модуляции в EAM и MZM для систем передачи с DWDM является ограничение полосы частот модулированного оптического сигнала, обусловленное сеткой частот DWDM с интерва-

лами 25 ГГц, 50 ГГц, 100 ГГц (рис. 3.31).

Рис. 3.31. Проблема простой модуляции интенсивности оптической частоты при возрастании скорости передачи в спектральных каналах DWDM

140