Источники излучения: типы, основные характеристики. Передающий оптический модуль

Излучатели предназначены для преобразования электрического входного сигнала в выходной оптический. В современных ВОЛС в качестве источников света используются полупроводниковые (ПП) источники излучения - светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД). Технология производства и химический состав материалов, из которых они изготовлены, определяют основные характеристики:

· длину волны излучения l (мкм);

· оптическую мощность Р (Вт);

· степень когерентности оптического излучения;

· коэффициент поляризации оптического излучения q;

· ширину спектра оптического излучения Dl (мкм) и его состав;

· угловую расходимость (ширину диаграммы направленности) в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Основой для любого ПП излучателя является область контакта двух материалов с различными типами проводимости. В простейшем случае - это обычный pn -переход, который образован за счет введения донорных и акцепторных примесей в исходный материал подложки.

Любой ПП материал принято характеризовать энергетической диаграммой (рис.1), на которой указываются уровни соответствующие:

· нижней границе зоны проводимости Е_п;

· верхней границе валентной зоны Е_в;

· уровню Ферми Е_f, вероятность заполнения которого равна 0,5.

Параметром материала является также ширина запрещенной зоны:

Е _g = Е_п - Е_в.

Излучение формируется за счет перехода электронов с энергетических уровней, находящихся вблизи нижнего края зоны проводимости на уровни у верхнего края валентной зоны. Высвобождающаяся при этом энергия Е_ф обеспечивает рождение фотона. Длина волны l, соответствующая этому фотону, определяется соотношением: l =1.24/Е_ф.

В исходном состоянии возможны переходы электронов из зоны проводимости в валентную зону с излучением фотона (рекомбинация - электрон поглощает дырку, занимая свободное место в валентной зоне). Но их интенсивность (количество актов рекомбинаций в единицу времени) мала, поэтому излучение практически отсутствует.

Интенсивность излучения напрямую связана с величинами концентраций носителей в обедненном слое и увеличивается при их одновременном росте. Это достигается за счет увеличения тока, протекающего через переход. Таким образом, энергия внешнего источника, обеспечивающего протекание тока, преобразуется в энергию излучаемых фотонов. Этот ток принято называть током накачки (I_н).

Качество источника, характеризующее долю тока накачки, которая используется на создание излучения, принято характеризовать параметром h_инж - "эффективность инжекции". Он определится отношением электронного тока через переход к полному току (электронному и дырочному). В реальных устройствах стремятся приблизить значение h_инж к единице.

Наряду с излучательными переходами электронов из зоны проводимости в валентную зону происходят и безизлучательные, при которых высвобождающаяся энергия тратится, например, на создание колебаний кристаллической решетки. В конечном итоге все безизлучательные переходы ведут к повышению температуры обедненного слоя. Эффективность использования инжектированных в обедненный слой электронов характеризуется параметром h_эф - "внутренняя квантовая эффективность". Он определяется отношением количества фотонов, рожденных в единицу времени, к количеству актов рекомбинации за этот же временной промежуток. И этот параметр необходимо стремиться сделать близким по величине к единице. Детальный анализ процессов, происходящих в ПП излучателях, показывает, что, как и эффективность инжекции, h_эф увеличивается за счет роста тока накачки.

Если в зоне проводимости имеется больше электронов чем при равновесном состоянии, то электроны могут спонтанно возвращаться в дырки валентной зоны, при этом из полупроводника излучается один фотон на каждый электрон. Этот процесс называется излучательной рекомбинацией избыточных носителей заряда, так как при этом избыточные электроны и дырки объединяются (рис. 2(а)). В таком случае говорят о спонтанном излучении или люминесценции.

1 - зона проводимости, 2 – запрещенная зона, 3 – валентная зона, • - электрон, о – дырка.

На рис. 3.а показано распределение концентраций е и р, совмещенное с энергетической диаграммой, характерное для одной из областей, находящейся полностью внутри обедненного слоя. На рис. 3.б показан спектральный состав такого излучения - зависимость спектральной плотности мощности S(l) от длины волны. Величина S(l) характеризует долю излученной мощности, приходящейся на заданную длину волны. Ширина спектра излучения определяется по уменьшению S(l) в два раза.

Источник, в котором преобладает спонтанное излучение, принято называть светоизлучающим диодом (СИД). Для него ширина спектра составляет обычно величину: Dl = (30 -50) нм. Сформированное с помощью СИД излучение является немонохроматичным, некогерентным и неполяризованным. Все эти обстоятельства обуславливают использование его в системах связи только совместно с многомодовым волокном.

В ЛД, предназначенных для использования в ВОЛС, обычно стремятся обеспечить условия, при которых возбуждается только одна поперечная мода. Этого можно достичь, если уменьшать поперечные размеры активной области.

На рис. 7 приведена типичная ВАХ ЛД. На ней можно выделить два участка, разделенных пороговым значением тока I_п. Первый соответствует условию I_н < I_п. При этом излучение ЛД некогерентно и неполяризовано. Практически ЛД работает в этом режиме также как и СИД. При превышении порогового значения тока возрастает крутизна ВАХ и излучение становится когерентным и поляризованным. Сначала обеспечивается условия возбуждения только одной основной поперечной моды, которая соответствует осевому распространению вдоль активной области. Дальнейшее возрастание тока накачки приводит к возможному возбуждению высших поперечных мод.

Передающий оптический модуль (ПОМ). Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на невысоких скоростях на линиях с максимальной длиной до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

В состав оптического передатчика обычно входят источник оптического излучения, согласующее оптическое устройство, электронные схемы модуляции и стабилизации режимов работы источника излучения.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Он должен излучать на длине волны, соответствующей одному из окон прозрачности ОВ; обеспечивать достаточно высокую мощность излучения и эффективный ввод его в ОВ; иметь высокое быстродействие, позволяющее осуществлять высокоскоростную модуляцию; отличаться простотой, надежностью и малыми габаритами.

Основными характеристиками ПОМ являются: диапазон рабочих температур, мощность излучения, пиковое значение длины волны излучения, ширина спектральной полосы (на половине высоты пика), время нарастания импульса, срок службы, напряжение в цепи питания, пространственное распределение мощности излучения на выходе.

16. Анализ и проектирование БИХ-фильтров (достоинства и недостатки, разностное уравнение, применение z-преобразования к анализу и синтезу БИХ-фильтров, структуры БИХ-фильтров, сравнительный анализ КИХ и БИХ-фильтров). Пример использования.

Если выходные отсчеты КИХ-фильтров зависят только от предыдущих и текущего входных отсчетов, то каждый выходной отсчет БИХ-фильтра зависит от предыдущих и текущего входных отсчетов, а также от предыдущих выходных отсчетов. Способность выдавать на выход последовательности ненулевых отсчетов бесконечной длины, даже когда все входные отсчеты равны нулю, и послужила причи­ной, по которой фильтры называются БИХ. По сравнению с КИХ-фильтрами, БИХ-фильтры имеют более сложную структуру (блок-схему), их труднее проектировать и анализировать, их фазочастотная характеристика принципиально нелинейна. Преимуществом БИХ-фильтров является то, что они требуют намного меньше умножений на один выходной отсчет, чтобы реализовать требуемую частотную характеристику. С точки зрения аппаратуры это значит, что БИХ-фильтры могут быть очень быстрыми, они позволяют нам строить фильтры реального времени, которые работа­ют на значительно более высоких частотах дискретизации, чем КИХ-фильтры.

Разностное уравнение в общем виде:

где и – коэффициенты фильтра, N-порядок входного сигнала, M-порядок обратной связи, x(n)-входной сигнал, y(n)-выходной сигнал.

Передаточная функция:

где переменная z-комплексная.

Частотную характеристику БИХ-фильтра можно вычислить, выразив z в полярных координатах как , где r-модуль, -аргумент комплексной переменной. В этой форме z-преобразование приобретает вид

Это уравнение можно рассматривать как преобразование Фурье произведе­ния исходной последовательности h(n) на экспоненциальную последовательность . Если r = 1, уравнение превращается в преобразование Фурье. Следовательно, на z-плоскости контур поверхности H(z) при есть преобразование Фурье по­следовательности h(n). Если h(n) представляет собой импульсную характеристи­ку фильтра, вычисление H(z) при дает частотную характеристику фильтра. Окружность с радиусом, равным единице, центр которой совпадает с началом координат z = 0 - единичная окруж­ность. Одной из важных особенностей z-плоскости является то, что область устойчи­вости фильтров совпадает с внутренней частью единичного круга на z-плоскости. Имея передаточную функцию цифрового фильтра H(z), мы можем изучить расположение ее полюсов и нулей и сделать вывод об устойчивости фильтра. Если все полюсы находятся внутри единичного круга, фильтр устойчив. Но если хотя бы один какой-нибудь полюс оказывается за пределами единичного круга, фильтр не­устойчив.

Для БИХ-фильтров широко используются три структуры — прямая, каскадная и па­раллельная формы. Прямая форма — это непосредственное представление передаточной функции БИХ-фильтра. В каскадной форме передаточная функция БИХ-фильтра факторизуется и выражается как произведение звеньев второго порядка. В параллельной форме H(z) раскладывается (с использованием элементарных дробей) на сумму звеньев второго порядка. Параллельная и кас­кадная структуры предоставляют более простые алгоритмы фильтрации и менее чувствительны к эффектам реализации с использованием конечного числа битов, чем фильтры с прямой структурой. Последние в подобных случаях весьма уязвимы, поэтому их следует избегать любой ценой.

Сравнительный анализ КИХ и БИХ:

1. КИХ-фильтры могут иметь строго линейную фазовую характеристику. Следователь­но, фильтр не вводит фазового искажения в сигнал, что важно во многих сферах, например, передаче данных, биомедицине, цифровой аудиообработке или обработке изображений. Фазовая характеристика БИХ-фильтров нелинейна, особенно на краях полос.

2. КИХ-фильтры реализованы нерекурсивно, т.е.они всегда устойчивы. Гарантировать устойчивость БИХ-фильтров уда­ется не всегда.

3. Для реализации фильтров используется ограниченное число битов. Практические последствия этого (например, шум округления и ошибки квантования) значительно менее существенны для КИХ-фильтров, чем для БИХ-фильтров.

4. Чтобы получить конечную импульсную характеристику с помощью фильтров с рез­кими срезами характеристики, потребуется больше коэффициентов, чем для получе­ния бесконечной импульсной характеристики. Следовательно, для реализации пред­ложенной спецификации амплитудной характеристики с КИХ необходимо больше вычислительной мощности и памяти, чем для реализации ее с БИХ..

5. Аналоговые фильтры легко преобразовать в эквивалентные цифровые БИХ-фильтры, удовлетворяющие сходным спецификациям. Для получения КИХ-фильтров такое преобразование невозможно, поскольку для них не существует аналоговых про­тотипов.

6. Синтез КИХ-фильтров алгебраически сложнее, если не использовать ком­пьютерную поддержку разработки.

7. БИХ-фильтры рекуррентны.

БИХ фильтры лучше использовать, если единственными важными требованиями являются характеристика с резкими срезами и высокая пропускная способность, поскольку БИХ- фильтры по­требуют определения меньшего числа коэффициентов, чем КИХ-фильтры.