Глава 29: Пристрій приймачів

1. Відкриття світлодіодів і лазерів
2. Історія створення напівпровідникового лазера
3. Світлодіоди (Light-Emitting Diode, LED)
4. Напівпровідникові лазери (Laser Diode, LD)
5. Способи модуляції
6. Оптичні підсилювачі

«Попередня

Відкриття світлодіодів і лазерів

Для понад швидкісної передачі даних не остаточно одних лише світловодів з малим загасанням, необхідні ще й швидкодіючі випромінювачі світла. При цьому ці випромінювачі повинні бути компактними і споживати не багато електроенергії.

Сам принцип роботи був розроблений Олегом Володимировичем Лосєвим в 1923 році. Вчений працював в Нижньому Новгороді в своїй радіотехнічної лабораторії, об'єктом досліджень був кристадин. По ходу роботи він побачив, що при проходженні струму по полупроводниковому детектору він починає світитися. Найбільшим світінням мав карбід кремнію. Вивчаючи це явище методом шліфів і зондової мікроскопії, вчений дійшов висновку, що воно має фотоелектродвіжущую природу.

Ще в ті далекі роки винахід було гідно оцінено промисловцями. Дійсно, джерела світла, які не вимагали вакууму, швидкодіючі і з низькою напругою, були дуже цінні в розореній громадянською війною країні. В цей час саме явище електролюмінесценції називали "світлом Лосєва" (Losev light, Lossew Licht). У 1938 році Лосєв отримав ступінь кандидата фізико-математичних наук саме за дослідження світіння.

Зазначимо, що вчений завжди приділяв особливу увагу кременю і говорив, що його використання має великі перспективи. У самому початку 1941 року Лосєв вирішив присвятити себе роботі в дещо іншому напрямку - "Метод електролітних фотосопротивлений, фоточутливість деяких сплавів кремнію". На превеликий жаль, нам не відомі підсумки його роботи.

У ті роки багато вчених займалися дослідженнями в області напівпровідників. Наприклад, два вчених Я.І. Френкель і А.Ф. Іоффе розробили теорію випрямлення струму на контакті метал-напівпровідник. Вона була заснована на явищі тунелювання. Я І. Френкель ввів для широкого використання поняття "екситона" в напівпровідниках. У 1939 році отримала всенародну популярність диффузионная теорія випрямляє pn-переходу Б.І. Давидова. Дана теорія лягла в основу теорії pn-переходу В. Шоклі.

У 1951 році K. Lehovec і його помічники показали досвідченим шляхом, що детектування і електролюмінесценція мають єдину природу.

Ось таким чином з'явилися і стали широко застосовуватися світлодіоди (Light Emitting Diodes). Безумовно, цей винахід було величезним кроком вперед в порівнянні з ниткою розжарювання, але, тим не менш, вони були придатні не більше ніж світлопроводи у вигляді скляних трубок. Наступний виток розвитку світлодіодних технологій не змусив себе довго чекати, на цей раз на технологію звернули увагу радіофізики.

У 1954 році в квітні місяці два вчених Таунс і Гордон представили на суд громадськості квантовий генератор - мазер, робота якого була заснована на парах аміаку. У 1954 р вже вітчизняними вченими Прохоровим і Басовим була опублікована стаття, в якій вони обгрунтували роботу даного приладу теоретичним шляхом. За ці розробки все зазначені вчені отримали Нобелівську премію.

У травні 1956 фізик Роберт Дике застосував дані розробки для оптичного середовища, і запатентував результати своєї роботи. Так з'явилися перші лазери. Сама назва "лазер" придумав Гордон Гулд аспірант Колумбійського університету. "Лазер" - це абревіатура, і розшифровується вона як Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Основною відмінністю лазерів від інших джерел світла є висока ступінь когерентності випромінювання, спрямованість, низький рівень шумів, концентрації енергії в часі і т.д.

Наступним етапом стало застосування даного принципу для майже всіх видів середовищ. У 1960 році Теодор Мейман запустив твердотільний рубіновийлазер. У наступні роки було винайдено цілий ряд різних лазерів: лазери на двоокису вуглецю, лазер на неодимовому склі, хімічні лазери, напівпровідникові лазерні діоди, лазери на органічних барвниках.

Історія створення напівпровідникового лазера

Початком розвитку галузі напівпровідникової електроніки можна вважати 50-і роки минулого століття. Уже в 60-х роках більшу частину великих військових замовлень ставилися саме до цієї галузі. У жовтні 1958 року на підводних човнах Радянського Союзу вже були встановлені германієві вентилі. Їх розробив, на той момент молодший науковий співробітник, Ж.І.Алфёров.

Найголовнішим напрямком розвитку науки того часу було дослідження монокристалічних структур на основі германію, кремнію, напівпровідникових сполук типу АIIIBV (елементів 3 і 5 груп таблиці Менделєєва). В області pn-переходів так само проводилася маса досліджень і дослідів. Була підвищена робоча температура приладів за рахунок заміни германію кремнієм, були створені високовольтні діоди і тиристори. Широко відомі сьогодні напівпровідникові лазери, світлодіоди і фотоелементи з'явилися в результаті експериментів з арсенідом галію. З цього моменту електровакуумні лами стали вважатися безнадійно застарілими.

Проте, питання з потужним швидкодіючим джерелом випромінювання залишався відкритим. Свіжовинайдені лазери на гомопереходах арсеніду галію не могли добре функціонувати в умовах реальних умов при кімнатній температурі. Пов'язано це було з тим, що GaAs мали дуже високі порогові і робочі струми (приблизно 50 000 А / см2). В результаті операція здійснювалася з дуже повільною швидкістю.

У 1963 році Жорес Алфьоров у своїй кандидатській дисертації довів, що pn-перехід в гомогенному за складом напівпровіднику не дає потрібного результату при роботі в різному обладнанні. Він запропонував замінити їх гетероструктурами - це був справжній прорив і наступний крок на шляху виникнення оптоволоконних технологій. Уже тоді народилося припущення, що лазери, засновані на таких способів з'єднання, дозволять обладнанню працювати на багато ефективніше.

Але і в даному випадку, як це буває часто, теоретичні прогнози сильно випередили реальний стан справ в області технічної реалізації. Заважало розвитку цього напрям і громадську думку, яка заперечувала можливість створення "ідеального" гетероперехода. На цьому терені було безліч спроб, але всі вони закінчувалися однаково невдало. Це було пов'язано з тим, що обидва матеріали повинні були мати практично однакові теплові, електричні, кристаллохимические властивості. Крім того, вони ще повинні були мати рівні розміри осередків кристалічних решіток.

Для створення таких провідників робилася спроба формувати гетероперехід шляхом епітаксійного вирощування. При такому обертанні плівка одного монокристала нарощувався на поверхні іншого монокристалла пошарово. Були визначені два з'єднання, максимально підходять для створення досконалого гетероперехода. Ними стали арсенід галію (GaAs) і арсенід алюмінію (AlAs), використання останнього було утруднено через те, що він миттєво окислюється на повітрі.

Алфьоров намагався створити подвійну гетероструктуру GaP0,15As0,85-GaAs і вона увінчалася успіхом. Її створили шляхом газофазной епітаксії, і вже на ній був сформований лазер. Проте, температурою, при якій вони могли працювати, була температура рідкого азоту. Такий температурний коридор пояснюється невідповідністю постійних величин молекулярної решітки. Вчений дійшов висновку, що обраний шлях є хибним, і він не призведе його до бажаної реалізації потенційних переваг.

Вирішити проблему вдалося чисто випадково. Дмитро Третьяков, помічник Алфьорова, зауважив, що арсенід алюмінію абсолютно стабільний в твердому розчині. У підсумку, роком народження класичної гетеропари GaAs-AlGaAs прийнято вважати 1967 рік. Звернемо увагу на той факт, що приблизно через місяць після відкриття вітчизняних вчених, американською компанією IBM, незалежно від радянських вчених, була отримана гетероструктура AlxGa1-xAs-GaAs.

У 1968 році був запущений перший у світі гетеролазери. Цей лазер працював при кімнатній температурі і був низькопорогових. Ж.І.Алфёров поділився з усім світом результатами своїх досліджень в серпні 1969 року на Міжнародній конференції з люмінесценції. Його доповідь справила сильне враження на колег.

Схема першого напівпровідникового гетеролазери.

Потім почалося справжнісіньке змагання між лабораторіями корпорацій Bell Telephone, IBM і RCA. Але і тут група радянських вчених випередила фахівців з Bell Telephone. Саме Ж.І.Алфёров з співробітниками в 1970 році досягли безперервного режиму роботи лазера при кімнатній температурі. Нова технологія дозволяла зменшити порогові щільності струму до 500-1000 А / см2. Як наслідок, на світ з'явилися компактні лазери, які могли функціонувати в безперебійному режимі, вони володіли високою яскравістю великий вихідною потужністю. Потужність такого лазера могла бути промодулірована з частотою до сотень і тисяч мегагерц, не змінюючи, при цьому, напівпровідниковий елемент.

Тепер до справи підключилися технологи, інженери та бізнесмени. Завдяки їх дослідженням вже в 1975 році побачив світ перший комерційний напівпровідниковий лазер, який міг ефективно працювати при кімнатній температурі. У 1976 році вже працювала перша оптична лінія, а термін служби такого обладнання доходив 10 років. Ще через рік цей термін виріс до 100 років.

Світлодіоди (Light-Emitting Diode, LED)

Для початку дамо визначення терміну "світлодіод". Світлодіодом називають напівпровідниковий прилад, що випромінює кванти світла при протіканні через нього прямого струму. Інакше світлодіод ще називають випромінюють діодом.

Якщо коротко, то принцип роботи світлодіода заснований на випромінювальної рекомбінації носіїв заряду в активній області гетерогенної структури при пропущенні через неї струму. Це означає, що носії заряду проникають в активний шар з прилеглих пасивних верств завдяки подачі напруги на р-n структуру. Після цього електрони відчувають спонтанну рекомбінацію, яка супроводжується випромінюванням світла.

Принцип дії світлодіода

Для потреб оптичних ліній зв'язку використовують інфрачервоні світлодіоди, принцип їх роботи заснований на GaAs. Светодиоду характерна велика ефективність електролюмінесценції, до того ж він прекрасно освоєний технічно. Якщо порівняти лазер і світлодіод, то перевагою другого буде велика спектральна ширина випромінювання. У лазерів вона становить 1-4 нм, а у діодів 20-50 нм. Щоб компенсувати цей недолік, ціна на лазери значно нижче.

Світлодіоди, що використовуються в оптоволоконних технологіях, прийнято ділити на дві групи: 1. світлодіоди з випромінюючої гранню; 2. світлодіоди з випромінюючої поверхнею. Іншими словами поверхневі і торцеві.

види світлодіодів

У світлодіодах поверхневого типу щоб вивести випромінювання в один спрямований потік, в оболонці витравлюють спеціальне круглий отвір. Отримана в результаті конструкція отримала назву "діод Барраса". Існує ще ряд моделей поверхневих світлодіодів, у яких вихід випромінювання відбувається через підкладку. Підкладка виготовляється з InP, а саме підключення є Чотирьохкомпонентна GaInAsP.

У торцевих світлодіодах випромінювання виводиться так само, як і в "класичних" лазерних діодів. Оптичне випромінювання направляється уздовж переходу, відбувається це завдяки внутрішньому віддзеркаленню. Лазерну генерацію можна обійти шляхом обмеження активної області. Таке обмеження накладає Полоскова конструкція нижнього омічного контакту.

Сферою застосування таких передавачів є мультимодових низькошвидкісні системи, що транслюють сигнал на невеликі відстані. До недоліків світлодіодів відносять: низьку швидкість, малу потужність, велику ширину смуги спектра, сильну розбіжність випромінювання. У зв'язку з цим лазерні діоди займають лідируючі позиції в одномодових мережах.

Напівпровідникові лазери (Laser Diode, LD)

Між великими і напівпровідниковими лазерами існує безліч відмінностей, основними з них є:
Зонна структура матеріалу напівпровідникових лазерів диктує квантові переходи в них
Напівпровідникові лазери не великого розміру (приблизно 0,1 мм в довжину) в зв'язку з цим і їх активна область дуже маленька - приблизно 1 мкм і менше. В результаті розбіжність променя набагато більше, ніж у звичайних великих лазерів.
Основні характеристики напівпровідникового лазера (просторові і спектральні) знаходяться в сильній залежності від властивостей того матеріалу, з якого виготовлений перехід (структура забороненої зони і коефіцієнт заломлення).
Система, створена на основі напівпровідникового лазера, вельми ефективна, так як модуляція випромінювання відбувається за рахунок модуляції струму. Відбувається це через те, що лазерне випромінювання з'являється від дії струму, що проходить через прямосмещенного діод.

Режим індукованого випромінювання можна отримати тільки завдяки оптичному резонатору, який вбудований в лазерний діод (LD). Цьому режиму характерна висока ступінь когерентності.

Нижче на малюнку представлена ​​енергетична зонна діаграма лазера в присутності зовнішнього напруги U:

Енергетична зонна діаграма лазера

Щоб досягти потрібний лазерний ефект, ток повинен мати строго певні порогові значення. Ці параметри дозволяють спектральної смузі звузитися. Щоб знизити температуру нагрівання і зменшити робочі струми, зменшують робочий шар. Цей шар скорочується до 5-20 мкм і виглядає у вигляді смужки, яка йде від однієї поверхні, що відбиває до іншої. Звідси лазери, засновані на цьому принципі, отримали назву "Полоскова". Малюнок вгорі ілюструє яким чином це досягається (використовується вузький металевий електрод). У зв'язку з малою ємністю переходів у пристроїв даної конструкції знижується до 100 мА пороговий струм та інерційність.

Безперервно працює лазер здатний давати потужність випромінювання в розмірі 0.1 Вт. Якщо нагрів буде ослаблений (імпульсна збудження), то потужність сильно збільшиться. Основними показниками інжекційних лазерів будуть: інерційність = 1 - 10-9 c; ККД = 50%; напруга живлення не більше 3В. При цьому розмір самого пристрою становить кілька міліметрів. Змінюючи напругу струму можна керувати модуляцією світлового потоку.

Найчастіше в якості оптичного резонатора використовують такі системи:

1. Лазер з резонатором Фабрі-Перо (FP лазер), Fabry-Perot laser (FP laser). В даному виді лазера використовуються два плоских дзеркала, що виконують функцію резонаторів. Він може працювати в двох режимах випромінювання: одномодовом і многомодовом.

Лазер з резонатором Фабрі-Перо

Його застосовують тільки в системах зв'язку, в яких швидкість передачі даних не перевищує 2,5 Гбіт / с. Динамічні властивості лазерних діодів, в даному випадку, розкриваються завдяки залежності спектральної характеристики від швидкості передачі при безпосередній модуляції потужності випромінювання. Модуляція відбувається шляхом зміни струму накачування. У даного виду лазера в одномодової конструкції збільшення швидкості передачі даних супроводжується зміною модового складу. Зміна модового складу представляє собою розширенням спектра до 10 нм при модуляції з частотою близько 1-2 Ггц.

2. Лазер з розподіленою зворотним зв'язком (РІС-резонатор), Distributed feedback laser (DFB laser). Робочої вважається довжина хвилі 1550 нм. Може працювати зі стандартом CWDM з кроком 20 нм в діапазоні довжин від 1310 до 1610 нм. Даний вид лазера виникає в зв'язку з періодичної просторової модуляцією параметрів структури, які безпосередньо впливають на умови поширення випромінювання.

Лазер з розподіленою зворотним зв'язком

Даний вид лазера застосовується в системах, зі швидкістю передачі даних від 2,5 Гбіт / с, в окремих випадках можна застосовувати для систем зі швидкістю понад 10 Гбіт / с. Якщо модуляція відбувається в діапазоні 0,25-2 Ггц, то зрушення дуже невеликий (приблизно 0,2 нм), при цьому прекрасно зберігається придушення побічних мод. У зв'язку з цим, даний вид лазерів називають динамічно одномодовими.

3. Інжекційний лазерний діод з відбивною бреггівськими гратами, (РБО-резонатор), Distributed Bragg Reflector. В цілому цей вид можна охарактеризувати як різновид лазера з розподіленою зворотним зв'язком.

Інжекційний лазерний діод з відбивною бреггівськими гратами

Лазерні діоди з зовнішніми резонаторами служать для мінімізації ширини спектра. Ширина ця знаходиться в межах від 1 до 1500 кГц і залежить від типу резонатора.

4. Лазери з вертикальним об'ємним резонатором, (VCSEL лазер), Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL laser). Для даного лазера робочої вважається довжина хвилі в 850 нм.

Лазер з вертикальним об'ємним резонатором

Ці лазери мають ряд істотних переваг в порівнянні з поперечними випромінювачами: по-перше - це економія електроенергії, по-друге, технологічний процес їх виготовлення значно простіше, тому що на одній підкладці можна обробляти велику кількість елементів. До того ж їм характерна високошвидкісна модуляція, що дає можливість передавати сигнал зі швидкістю вище 1 Gbps.

На сьогоднішній день VCSEL виробляють з GaAs, а випромінюється ними світло знаходиться в діапазоні від 750 до 1000 нм. Для передачі даних на довгі дистанції довжини хвиль діапазону, в якому працює VCSEL, занадто короткі. В таких умовах даний вид лазерів використовується тільки на мультимодових кабелях, популярність яких в останні роки стрімко падає.

Способи модуляції

Напівпровідникових лазерів і світлодіодів характерні два типи модуляції: зовнішня і внутрішня (іншими словами безпосередня модуляція).

Принципом роботи внутрішньої модуляції є безпосередній вплив електричного сигналу на випромінювання джерела. В результаті забезпечується вихідна потужність і форма сигналу. Даний метод можна застосовувати для всіх систем, що використовують частоти до 1 ГГц. Якщо використовуються частоту перевищують зазначений поріг, то виникає чимало труднощів: вихідна потужність знаходиться на дуже низькому рівні, модуляція здійснюється на низькій швидкості, спостерігаються значні нелінійні ефекти.

Для здійснення зовнішньої модуляції застосовується спеціальне модулирующее пристрій. Це пристрій має безпосередній вплив на безперервно випромінює лазер. Така технологія може бути застосована для високошвидкісних передавачів сигналу.

Зазначеними пристроями виступають інтерферометри Маха-Цендера (MZI) і електроабсорбціонние інтерферометри (EA). Принцип роботи MZI наступний: до матеріалу додається електричне поле, після чого відбувається зміна показника заломлення. Іншими словами, виникає електрооптичний ефект, при якому зменшення n підвищує швидкість поширення світла, а збільшення - знижує її.

інтерферометр Маха-Цендера

Відповідно до даного малюнку в модуляторі в кристалі ниобата літію (LiNbO3) відбувається поділ світла під дією двох хвилеводів. Якщо технічно необхідно надіслати одиницю, то до них обох потрібно докласти однакову напругу. Якщо стоїть завдання послати нуль, то додається напруга повинна забезпечити зміщення фаз на 180 °, що має на увазі взаємне віднімання сигналів в вихідному каналі, який об'єднає обидва променя.

Устаткування, яке може функціонувати на частотах 20 ГГц і вище, користується популярністю. Найвідомішими виробниками є фірми Ramar і Laser2000.

Ще одним відомим способом виступають EA-модулятори. Даний спосіб заснований на ефекті зсуву забороненої зони в напівпровіднику. Зрушення виникає під впливом прикладається напруги, в результаті такої дії відбувається поглинання генерується лазером випромінювання.

EA-модулятори виробляють зі складних напівпровідників з великою кількістю квантових ям. У ямах відбувається розщеплення спектральних ліній атома під дією зовнішнього електричного поля (ефект Штарка) або ж ефект електроабсорбціі. До достоїнств цього модулятора відносять високу швидкодію (до 40 ГГц) і сумісність з лазерними діодами на фосфід індію.

Зазначеними видами модуляцій асортимент не обмежений, існує безліч інших способів управління світловим потоком. Як приклад можна вказати на модулятор, заснований на ефекті Поккельса. Ефект проявляє себе при обертанні площини поляризації вхідний світловий хвилі, коли до неї прикладено напругу. Досягти повороту на 90 градусів можна, наприклад, в кристалі ниобата літію та ін. (Ці види кристалів називають "осередком Поккельса"). Для отримання модулятора такий кристал розташовують між двома поляризаційними фільтрами.

Модулюючи амплітуду напруги в осередку Поккельса можна змінювати інтенсивність світлової хвилі. При цьому частота може перевищувати 10 ГГц, а глибина модуляції досягає 99,9%.

Оптичні підсилювачі

Функцією Optical amplifier (в перекладі оптичний підсилювач) є посилення оптичного сигналу і перетворення його назад в оптичний. Посилення сигналу відбувається без перекладу його в електричний.

Основою роботи напівпровідникових оптичних підсилювачів є порушується емісія, яка з'являється за рахунок взаємодії фотонів вхідного збудливого випромінювання з електронами на збудженому рівні в зоні провідності.

Енергія вхідного сигналу повинна бути такої потужності, щоб скинути електрони з верхнього рівня на нижній, де електрон і дірка рекомбінують, викликаючи появу вторинних фотонів. Завдяки накачуванні (введення струму в напівпровідник) з'являється інверсія.

Основа принципу роботи цієї технології така ж, як і в лазерних діодів Фабрі-Перо. Це означає те, що на вході і виході підсилювача встановлюється пара паралельних напівпрозорих дзеркал, сигнал багаторазово відбивається і виникає посилений оптичний сигнал. Таким чином, відбулося перетворення енергії накачування в енергію сигналу.

Величина коефіцієнтів посилення дорівнює 22-25 дБ. Щоб досягти максимуму коефіцієнта посилення, потрібно збільшити величину подається струму в напівпровідник. Він буде знаходиться в інтервалі від 1520 до 1460 нм, при цьому чим більше струм, тим коротше будуть хвилі.

Пристрої даного типу застосовуються в наступних якостях:

• комутаторів для поділу по довжинах хвиль;
• підсилювачів. Так званих «предусилителей» для створення детектированного оптичного сигналу. Ці пристрої застосовують так само для компенсації розподілених втрат в лінії, що дає можливість збільшити довжину регенераційної ділянки.
• компенсаторів дисперсії в оптоволокне. Пов'язано це з тим, що вони мають властивість збільшувати крутизну переднього і зменшувати крутизну заднього фронтів імпульсів, тобто фактично сприяти зміні знака дисперсії.

Набагато більш поширеним в сфері мережевих технологій виявилося інше обладнання, засноване на ефекті Рамана. Оптичні волокна цих підсилювачів створені на основі легованих рідкоземельних елементів.

Образцова схема роботи такого підсилювача буде наступною:

Спрощений принцип дії оптичного підсилювача

При цьому використовуються:

• неодим (Nd) і празеодим (Pr) - для посилення сигналів в вікні 1300 нм;
• ербій (Er) - для посилення сигналів в вікні 1550 нм;
• иттербий (Yb), застосовуваний спільно з Er для розширення спектра поглинання в області 700-1100 нм, що дозволяє використовувати нові більш потужні джерела накачування.

Рідкоземельні речовина вносять в малій кількості в центральний світловод. Його додають на проміжку в декілька метрів. Для запобігання інтерференції в оптичному волокні, що вводиться світловий пучок повинен мати менші довжини хвиль.

Через взаємодії з квантами світлового пучка накачування в той момент, коли струм проходить по легованому ділянці ослабленого сигналу, електрони в іонах рідкоземельних елементів переходять на більш високий квазістаціонарний енергетичний рівень. В результаті з'являється вимушене випромінювання з такою ж або максимально наближеною довжиною хвилі.

Якщо оптичне волокно легованих неодимом і на ньому розташований підсилювач, то він зможе працювати на хвилі, довжиною приблизно 1340 нм. У лабораторних умовах його робочої довжиною може стати хвиля в 1310 нм. Більш досконалим в цьому відношенні вважається празеодім. Підсилювачі, що працюють з даними діапазоном, відрізняють наступні якості: для легування використовується флюоритового скло (НЕ кварцове), накачування виробляють на низьку ефективність (до 4 дБм / мВт). Якщо потужність насичення становить приблизно 200 мВт, то посилення дорівнюватиме приблизно 34 дБм.

Так само високий ступінь поширення отримало оптичне волокно, леговане ербієм. Іонів ербію характерна найбільша поглинає сила в районі довжин хвиль 980 і 1480 нм. Таким чином, виходить, що в якості джерел накачування можуть виступати поширені види лазерів, що працюють на довжині хвилі в 797/800, 980 і 1480 нм. До трирівневої моделі взаємодії відносяться лазери на 800 і 980 нм, до дворівневої - 1480 нм. Для найвищого ступеня ефективності найвигідніше застосовувати трирівневу

Проте, менш ефективні, в порівнянні з попереднім видом, лазери на 1480 нм користуються ще більшою популярністю. Прийнято вважати, що вони більш надійні і при цьому працюють з низьким показником засміченості ефіру (шумів). Рівень шуму відповідає приблизно 5 дБ.

Иттербий може застосовуватися як додатковий легуючий елемент. У цьому випадку з'являється можливість використовувати лазерний діод накачування, що функціонує на довжині хвилі 1053 нм. Інакше такі лазери називаються "DPSS-лазери". Такий підхід сприяє отриманню більш потужного джерела накачування, і, як результат, продовжується термін експлуатації і зростає посилення.

Існує поділ підсилювачів по сфері застосування:

• Бустери (підсилювачі потужності). Такий вид підсилювачів часто використовується для передачі низхідного трафіку в гібридних волоконно-коаксіальних мережах кабельного телебачення. В даному випадку підсилювачі потужності встановлюються перед оптичним перехідником. Так само їх застосовують безпосередньо після лазерних передавачів. У такій ситуації їх призначення полягає в тому, щоб додатково підсилити сигнал до такого рівня, який не можна досягти на основі лазерного діода.
• Передпідсилювачі (попередні підсилювачі). В основному їх застосовують для заміни складних і часто дуже дорогих когерентних оптичних приймачів. Їх розташовують в безпосередній близькості від приймача регенератора (перед ним). Дана дія дозволяє знизити рівень шуму і підвищити силу сигналу на виході електронного каскаду посилення в оптоелектронному приймачі.
• Лінійні підсилювачі. За допомогою даного виду підсилювачів замінюють оптоелектронні повторювачі і регенератори, але тільки тоді, коли відсутня необхідність в точному відновленні сигналу. В основному їх розміщують в проміжних точках протяжних ліній зв'язку між регенераторами або на виході оптичних разветвителей. Головною метою такого розташування є компенсація ослаблення сигналу, яка відбувається через загасання в оптичному волокні. У свою чергу загасання відбувається через розгалуження в оптичних розгалужувачах, відгалужувачів, мультиплексорах WDM.

детектори світла

Фотодетектори виконують функцію перекладу оптичного сигналу в електричний. Найчастіше основою цих фотодіодів служать pin переходи або лавинні ефекти.

Щоб pin фотодіод функціонував між шарами з n- і p- провідністю прокладається спеціальний шар, який має власну провідність. На даний шар направляється зворотної напруги зсуву, в результаті якого він збіднюється вільними носіями. В результаті створюються два переходи: типу pi і типу ni. Носії, які з'явилися в цьому шарі через поглинання світла, під дією дуже сильного електричного поля прискорюються. Прилади, засновані на такому принципі, мають високі показники частотності (до 10 ГГц).

Основною відмінністю лавинного фотодіода є лавинне розмноження носіїв. Як наслідок - у зовнішній ланцюга фотодіода дуже сильно зростає струм.

Нижче розташована схема перетину фотодетектора на световодах з SiGe. Сам шар розташований на вершині кремнієвого напливу світловода.

Схема перетину фотодетектора
Від матеріалу, з якого виготовлений фотоприймач, залежить його спектральний діапазон. Для прикладу: для хвиль, довжиною в 400-1100 нм, використовують кремній і арсенід галію. Що стосується хвиль, які використовуються в оптоволоконних пристроях, то для них кремній є дуже поганий детектор. Тому в таких системах в основному застосовують германій.

Основними показниками фотодіодів, що заслуговують на увагу, є: рівень шумів, час відгуку, лінійність.

Наступна »