Оптические передающие модули на основе полупроводниковых излучателей для волоконно-оптических линий связи

В настоящее время волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) приобрели очень широкое распространение. Об их характеристиках и применении достаточно подробно сообщалось в работах [1–3]. По сравнению с традиционными электрическими проводными линиями связи ВОЛС обладают рядом существенных преимуществ [2]:

• широкая полоса пропускания, позволяющая передавать цифровые агрегатные потоки емкостью (скоростью) до нескольких десятков Тбит/с;
• низкий уровень затухания сигнала при распространении, позволяющий передавать сигналы без регенерации на расстояния до 640 км;
• нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать волоконно-оптические кабели в местах с высоким уровнем таких помех, в том числе использовать для этой цели ЛЭП и опоры контактной силовой сети железных дорог;
• практическое отсутствие собственных электромагнитных помех, позволяющее снять проблему совместимости ВОЛС и других систем связи;
• возможность использования полностью диэлектрического исполнения волоконно-оптического кабеля, позволяющая снять проблему защиты от грозы, блуждающих токов, коррозии, а следовательно, повысить срок службы;
• малые масса и габариты ВОЛС;
• пожаробезопасность;
• значительная сложность перехвата передаваемых сообщений;
• сравнительно низкая стоимость по сравнению с высокими ценами на медный кабель.

Для передачи сообщений в ВОЛС используются оптические передающие модули. Они могут быть выполнены на основе полупроводниковых инжекционных лазеров, светодиодов или суперлюминесцентных светодиодов. На рис. 1 показана схема модуля на основе полоскового полупроводникового лазерного излучателя [1, 4]. Модульная структура создает условия для того, чтобы такой излучатель 1 мог быть легко стыкован с ВОЛС. Современные модули выпускаются в металлическом корпусе, в котором на одной подложке находятся собственно лазерный диод 1, фотодиод 2 и терморезистор 7. Вся подложка расположена, в свою очередь, на микрохолодильнике, в качестве которого используется термоэлектрическая система охлаждения (ТЭО) 6 на основе эффекта Пельтье. Фотодиод 2 располагается за задней гранью излучающего кристалла лазерного диода 1, из которой также выходит его излучение. Чтобы фоточувствительная поверхность фотодиода 2 не служила отражателем, он расположен наклонно. Назначение фотодиода 2 — обеспечение отрицательной обратной связи в электронной схеме накачки (драйвере) 3 лазерного диода 1. Назначение обратной связи — стабилизация выходной мощности излучения путем автоматической регулировки тока накачки. Однако такая регулировка не обеспечивает стабилизацию длины волны излучения в процессе изменения температуры окружающей среды. Для ее стабилизации служат ТЭО 6 и терморезистор 7. Последний включен в цепь обратной связи электронной схемы регулировки тока ТЭО 6. Оптическое согласование осуществляется в модуле, т. е. короткий соединительный световод 5 (одномодовое оптическое волокно) оптимальным образом стыкуется с излучающей поверхностью лазерного диода 1 (при условии юстировки положения световода) и выводится из корпуса модуля, не нарушая его герметичности. Для обеспечения стыковки световода 5 с излучающей поверхностью лазерного диода 1 используется устройство ввода излучения (устройство юстировки) 4 в световод 5. Входной торец световода 5 вместе с устройством юстировки 4, лазерным диодом 1 и фотодиодом 2 расположены на указанной выше подложке. Это сделано для того, чтобы исключить уменьшение вводимой в световод 5 мощности излучения за счет разъюстировки входного торца световода 5 относительно выходной грани кристалла лазерного диода 1 при изменении температуры. Лазерный диод 1 запускается током накачки с выхода драйвера 3 (блока накачки). Свободный конец световода 5 стыкуется со световодом волоконно-оптического кабеля с помощью соответствующего волоконного-оптического разъема (на рис. 1 не показан).

Рис. 1. Блок-схема оптического лазерного передающего модуля:
1 — полупроводниковый лазерный излучатель;
2 — фотодиод обратной связи;
3 — драйвер;
4 — устройство ввода лазерного излучения в волоконный световод;
5 — волоконный световод;
6 — ТЭО;
7 — терморезистор;
8 — автоматический регулятор температуры

На рис. 2 представлена зависимость коэффициента ослабления излучения в волоконном световоде от длины волны. Как показывает график, одномодовое стандартное оптическое волокно имеет сравнительно небольшие потери: 0,3–0,35 дБ/км в области спектра 1280 – 1330 нм и еще меньшие до 0,15 дБ/км — в области спектра 1530–1560 нм. Исторически первым рабочим диапазоном, в котором работали первые ВОЛС, была область спектра 780–860 нм. В ней потери доходили до 2 Дб/км. Это было так называемое первое окно прозрачности, освоенное в ВОЛС. По мере совершенствования технологии ВОЛС был освоен диапазон 1280–1330 нм (второе окно прозрачности), а затем и третий диапазон: 1530–1560 нм (третье окно прозрачности). В настоящее время разработаны фотоприемные модули, позволяющие освоить еще и четвертый диапазон 1580–1650 нм (четвертое окно прозрачности). Из графика рис. 2 видно, что, начиная с длин волн приблизительно 1650 нм, потери увеличиваются вследствие тепловых эффектов.

Рис. 2. Зависимость затухания a оптического сигнала в волоконно-оптическом кабеле от длины волны l

Соответственно этим окнам прозрачности в ВОЛС используются полупроводниковые излучатели с длиной волны около 1300, 1550, редко — 850 нм.

На рис. 3 показан типичный внешний вид высокочастотного лазерного модуля, предназначенного для применения в аналоговых и цифровых ВОЛС. Конструктивно модуль выполнен в прямоугольном корпусе с 8 электрическими выводами, ВЧ электрическим соединителем СРГ-50-751ФВ, кабельным одномодовым волоконным выходом, оканчивающимся оптическим разъемом типа АС/АРС с малым уровнем обратного отражения излучения. В состав модуля входит фотодиод обратной связи, ТЭО, терморезистор, используемые для стабилизации оптических и электрических параметров лазерного диода, ВЧ плата согласования (50 Ом входной импеданс) для передачи информационного сигнала от электрического ВЧ-соединителя к лазерному диоду с узлом развязки по постоянной и по переменной составляющим тока накачки лазерного диода. Наработка на отказ составляет не менее 5×10⁴ ч, диапазон рабочих температур –40…+60 °С. На рис. 4 показан чертеж общего вида этого модуля.

Рис. 3. Внешний вид высокочастотного лазерного модуля ДМПО131-23

Рис. 4. Общий вид модуля ДМПО131-23

На рис. 5 представлены типичные спектральная, ватт-амперная характеристики лазерного модуля, а также зависимость относительной мощности его излучения от температуры. Передающие оптические модули (ПОМ) чаще всего изготавливаются в конструкции типа DIL или Butterfly [2]. Унифицированные корпуса модулей совместимы с международными стандартами. Ресурс работы модулей может достигать 5×10⁵ ч, диапазон рабочих температур –40(–60)…+55(+85) °С.

Рис. 5. Основные характеристики лазерного модуля LFO-18-ip:
а) спектральная характеристика;
б) ватт-амперная характеристика;
в) зависимость относительной мощности излучения от температуры

В таблицах 1, 2 приведены основные технические характеристики типичных лазерных передающих модулей.

Светодиоды также нашли применение в ВОЛС, но сравнительно небольшой длины (офисные — до 2 км, короткие секции — до 15 км). Они могут иметь рабочую длину волны 850 нм или 1300–1550 нм. Светодиоды в коротких ВОЛС, по сравнению с полупроводниковыми лазерными излучателями, имеют ряд преимуществ [2]:

• они не вызывают появления дополнительных ошибок, обусловленных перегрузкой приемных фотодиодов из-за большой мощности излучения;
• светодиоды нечувствительны к неоднородностям ВОЛС и не требуют применения оптических изоляторов для подавления паразитных оптических отражений;
• беспороговый характер мощности излучения не требует жесткой стабилизации температурного и электрического режима работы;
• светодиоды не подвержены катастрофической деградации, характерной для лазерных полупроводниковых излучателей даже при кратковременных токовых перегрузках.

Примечания: λ — рабочая длина волны; Δλ — полуширина спектра излучения; Р_и — мощность излучения; I_п — пороговый ток; I_р — рабочий ток; U_лд — напряжение на лазерном диоде; U_фд — напряжение на фотодиоде; I_фд — ток фотодиода; I_тэо — ток ТЭО; V_п — скорость передачи информации; ΔТ — диапазон рабочих температур.

Примечания: λ — рабочая длина волны; Δλ — полуширина спектра излучения; Р_и — мощность излучения; I_п — пороговый ток; I_р — рабочий ток; U_лд — напряжение на лазерном диоде; U_фд — напряжение на фотодиоде; I_фд — ток фотодиода; I_тэо — ток ТЭО; V_п — скорость передачи информации; ΔТ — диапазон рабочих температур.

При больших мощностях возбуждения в светодиодах наблюдается эффект усиления света, которое приводит к изменению спектрального состава люминесценции, ее яркости и др. Такие светодиоды называются суперлюминесцентными. Основные характеристики обычных и суперлюминесцентных светодиодов для применения в излучающих модулях ВОЛС представлены в таблице 3. Передающие модули размещены либо в корпусах типа mini-DIL (2×4) со штырьками, либо в металлостеклянных корпусах DIL-14 (2×7) с вертикально расположенными штырьками. Вывод излучения осуществляется через отрезок волоконно-оптического кабеля, на конце которого смонтирован волоконно-оптический разъем.

Примечания: СД — светодиод; ССД — суперлюминесцентный светодиод; λ — рабочая длина волны; Δλ — полуширина спектра излучения; Р_и — мощность излучения; I_р — рабочий ток; U — напряжение на светодиоде; I_фд — ток фотодиода; I_тэо — ток ТЭО; V_п — скорость передачи информации; ΔТ — диапазон рабочих температур.

Для измерения потерь излучения в ВОЛС используются приборы, позволяющие находить не только полные потери в линии связи, но и их распределение, а также коэффициенты отражения вдоль линии. Эти приборы называются оптическими рефлектометрами [5]. Принцип действия прибора основан на посылке в ВОЛС мощного зондирующего импульса излучения, измерении мощности и времени запаздывания импульсов, вернувшихся обратно в рефлектометр. В качестве источника излучения в оптических модулях таких рефлектометров используются полупроводниковые лазерные излучатели, типичные характеристики которых представлены в таблице 4. С помощью таких излучателей генерируются импульсы излучения мощностью 10–1000 мВт, длительностью 2 нс … 20 мкс и частотой несколько килогерц. Эти импульсы поступают через ответвитель на волоконно-оптический разъем, к которому подключается исследуемое волокно ВОЛС. Рассеянные в волокне импульсы излучения возвращаются в оптический модуль и передаются с помощью ответвителя на фотодиод, где они преобразуются в электрический сигнал. Он усиливается, накапливается, обрабатывается в базовом модуле и отображается на дисплее в графической форме в виде рефлектограммы. Такое представление информации позволяет анализировать ее как визуально, так и автоматически с помощью встроенных программных алгоритмов [5].

Примечания: t_и — длительность импульса излучения; Q — скважность; λ — рабочая длина волны; Δλ— полуширина спектра излучения; Р_и — мощность излучения; I_п — пороговый ток; I_р — рабочий ток; U_лд — напряжение на лазерном диоде; U_фд — напряжение на фотодиоде; I_фд — ток фотодиода; I_тэо — ток ТЭО; V_п — скорость передачи информации; ΔТ — диапазон рабочих температур.