eng
Выпуск #1/2005
В.Дураев.
Отечественные оптоэлектронные компоненты для современных ВОСП
Отечественные оптоэлектронные компоненты для современных ВОСП
Просмотры: 3099
При создании передающего оборудования в современных волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) используют большой арсенал различных оптоэлектронных компонентов – как пассивных, так и активных, выпускаемых известными зарубежными производителями. Несмотря на сложные условия, в которых оказалась отечественная промышленность в связи с развалом общего экономического пространства, отдельные, вновь образованные компании и специалисты продолжают свои исследования и разработки в области создания названных компонентов, в частности полупроводниковых источников излучения, усилителей и приемников. Предлагаемая статья, содержащая описание оптоэлектронных компонентов для современных ВОСП, известного специалиста в этой области д-ра техн. наук В.П.Дураева (генерального директора компании "Нолатех" – Новые лазерные технологии), посвящена разработке отечественных полупроводниковых источников излучения и усилителей.
Современные ВОСП нельзя представить без применения в них элементов оптоэлектроники. Примерами этого являются полупроводниковые лазеры, приемные и передающие оптические модули и усилители.
В работе кратко представлены результаты исследований, разработки и промышленного выпуска отечественных оптоэлектронных компонентов для ВОСП – полупроводниковых источников излучения (лазеров) и оптических усилителей. Рассмотрены их конструкции, электрические, оптические и ресурсные характеристики, дан перечень основных изделий, выпускаемых промышленностью для волоконно-оптических систем связи.
ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Большинство лазеров для ВОСП используют резонаторы Фабри-Перо [1]. Однако для высокоскоростных ВОСП в последнее время стали применять лазеры, имеющие резонаторы с распределенной обратной связью (РОС), или, в международной классификации, – DFB-лазеры.
Для ВОСП, использующих мультиплексирование с разделением по длине волны, или волновое мультиплексирование (WDM), требуются динамически стабильные одночастотные лазеры с очень узкой спектральной линией. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с распределенным брэгговским зеркалом (РБЗ), или лазеры с распределенной брэгговской решеткой (DFB-лазеры), имеющие ширину линии генерации менее 1 МГц.
Наиболее широко в ВОСП применяются лазеры с длиной волны излучения 1300 и 1550 нм. Они используют диапазон рабочих температур до 100°С без охлаждения и имеют мощность излучения до 50 мВт [1].
Важной экономической и технической проблемой (кроме ВОСП) является внедрение гибридных волоконно-коаксиальных систем связи (кабельное телевидение, сети передачи данных, видеоконференцсвязи и мультимедиа), что позволяет довести оптоволокно до каждой квартиры (используя программу "волокно в дом"). Для ее решения требуются лазеры, обладающие повышенной надежностью и малой себестоимостью. Сейчас с этой целью используются лазеры с теми же длинами волн – 1300 и 1550 нм, но с минимальным значением порогового тока порядка 1–3 мА.
По спектральному составу лазеры, используемые в ВОСП, могут иметь как многомодовый, так и одномодовый (а в пределе одночастотный) режим генерации в зависимости от скорости и дальности передачи информации.
Самыми перспективными источниками излучения для ВОСП являются инжекционные лазеры (ИЛ), так как они сочетают в себе свойства генератора несущей частоты и модулятора в широком диапазоне частот.
ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ
В основу физических принципов конструирования инжекционных лазеров для систем связи положены следующие основные требования: непрерывный и импульсный режимы работы, низкий пороговый ток, широкая полоса модуляции, линейная зависимость мощности излучения от тока, малая излучающая площадь, малые шумы, большой ресурс работы и одномодовый, а в пределе – одночастотный режим работы [2, 3].
Изготовление инжекционных лазеров и светоизлучающих диодов (СИД) начинается с формирования эпитаксиальных структур, выращенных методами: жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ); химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (МОС) – МОС-гидридной эпитаксии (МГЭ); эпитаксии из молекулярных пучков (ЭМП). В самом общем смысле метод жидкофазной эпитаксии заключается в выращивании ориентированного кристаллического слоя материала из насыщенного жидкого раствора на кристаллической подложке.
Наиболее распространенный метод выращивания эпитаксиальных структур – химическое осаждение из газовой фазы. Для полупроводниковых соединений типа А3В5 (например, мышьяк-фосфор, AsP) используются четыре различные модификации этого метода. Лазерные диоды (ЛД) в настоящее время изготавливаются в основном методом МОС-гидридной эпитаксии. В гидридном процессе в качестве источников элементов As и P применяются арин (AsH3) и фосфин (PH3). При этом подложками служат арсенид галлия (GaAs) – при создании ЛД на длину волны 800–980 нм и фосфид индия (InP) – при создании ЛД на длину волны 1250–1550 нм.
Эпитаксия из молекулярного пучка (ЭМП) – это метод выращивания, при котором рост эпитаксиального слоя происходит при падении на нагретую поверхность подложки тепловых пучков молекул или атомов в условиях сверхвысокого вакуума. В качестве подложки, как и в первых двух случаях, используются GaAs или InP. От других методов ЭМП отличается тем, что проводится в условиях сверхвысокого вакуума.
Эпитаксиальные структуры делятся на три основных типа: двухсторонние гетероструктуры (ДГС), гетероструктуры с раздельным ограничением (РОДГС) и квантово-размерные структуры (КРС).
Для ВОСП используются в основном источники излучения с полосковой геометрией, в которых область протекания тока ограничена также и по плоскости pn-перехода. Ширина полоска S обычно составляет 3–5 мкм. Такое ограничение по ширине (или в боковом направлении) преследует несколько целей. Во-первых, позволяет уменьшить площадь сечения, а следовательно, и рабочий ток. Во-вторых, при ширине полоска Ј 5 мкм осуществляется генерация в одном канале и в основной поперечной моде. В-третьих, площадь свечения становится соизмеримой с диаметром сердцевины одномодового волокна (7–9 мкм).
Итак, все рассматриваемые здесь устройства для магистральных ВОСП – ЛД, приемники и усилители – изготавливаются из квантово-размерных эпитаксиальных структур на основе фосфида индия с использованием МОС-гидридной технологии. Конструкции активного элемента лазерного диода типа "зарощенная меза" и "гребневидная (недотравленная) меза" показаны на рис.1 и 2.
Полосковая геометрия может быть выполнена различными способами [2]. При использовании для формирования полоска оксидных высокоомных слоев достигается локализация оптической мощности и носителей тока. Такие приборы носят название лазеров с волноводным усилением, поскольку свет локализуется в области с максимальной инверсией населенности. Значительно более сильная боковая локализация обеспечивается в конструкциях, которые называются зарощенными гетероструктурами. В таких лазерах образуется волноводный канал. При этом имеет место как вертикальное, так и горизонтальное ограничение оптического излучения.
В зарощенной гетероструктуре ширина полоска может быть доведена до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток до 5 мА и менее. Лазеры с зарощенной гетероструктурой позволяют реализовать генерацию одной моды, обладают лучшей временной стабильностью и повышенной линейностью выходной характеристики излучения. В связи с этим они становятся наиболее перспективными для ВОСП. В высокоскоростных линиях связи используются в основном зарощенные мезаполосковые лазеры, причем заращивание осуществляется методом МОС-гидридной эпитаксии с использованием высокоомного слоя InP, легированного Fe. Высокоомные слои уменьшают емкость ЛД и улучшают его частотные характеристики.
В линиях связи с волновым мультиплексированием нужно использовать динамически стабильные режимы одночастотного лазера с очень узкой спектральной линией. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ) и шириной линии генерации менее 1 МГц. Спектр генерации такого одночастотного лазера представлен на рис.3.
Наиболее полно требованиям ВОСП отвечают лазеры с длиной волны излучения 1300 и 1550 нм (благодаря малым оптическим потерям в оптоволокне). Ватт-амперные характеристики ЛД с длиной волны 1300 нм в определенном диапазоне температур представлены на рис.4. Такие ЛД нормально работают до температур 100°С без охлаждения и имеют мощность излучения до 50 мВт [2–4].
Для программы "волокно в дом" требуются неохлаждаемые лазеры с повышенной надежностью и малой стоимостью. Минимальное значение полученного для них порогового тока составляет 1–3 мА, ресурс работы – до 500000 часов. По спектральному составу такие лазеры могут иметь как многомодовый, так и одномодовый (в пределе – одночастотный) режим генерации в зависимости от скорости и дальности передачи информации.
В ВОСП все полупроводниковые лазерные диоды и оптические усилители поставляются в виде отдельных передающих лазерных модулей – ПОМ, или просто лазерных модулей. Конструктивно большинство из них оформлено в виде модулей с двухрядным расположением выводов (типа DIL). Наибольшее распространение получили конструкции типа "Баттерфляй" с 8 или 14 выводами (рис. 5 а, б).
Основными элементами лазерного модуля являются ЛД, фотодиоды (ФД), термоэлектрические микроохладители (ТЭМО) типа элементов Пельтье, оптический изолятор и одномодовый световод со сферической линзой на конце для коллимации светового потока. Лазерные модули, разработанные для ВОСП, и их характеристики приведены в табл.1.
Ресурс работы представленных в таблице лазерных модулей составляет более 500000 часов, скорость передачи информации – до 2500 Гбит/с.
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Наряду с лазерными диодами в ВОСП большое место занимают приемники оптического излучения. В настоящее время отечественной промышленностью созданы приемники излучения в спектральном диапазоне от ультрафиолета до глубокой инфракрасной области, работающие в диапазоне скоростей приема до 2,5 Гбит/с.
Наиболее широкое применение среди них нашли приемные оптические модули (ПРОМ) на основе рin-фотодиодов, или фотодиодные модули (ФДМ), с длиной волны излучения от 500 до 1600 нм.
Для высокоскоростных ВОСП разработаны приемные оптические модули, имеющие в своем составе полупроводниковый (твердотельный) усилитель с полосой до 2,5 ГГц.
Основные параметры приемного модуля ФДМ-14-2К и приемного модуля с предусилителем ФДУ-1 (при температуре 25°C) представлены в табл.2 и 3.
Внешний вид конструкции указанных модулей приведен на рис.6. Приемные модули имеют волоконно-оптический выход с оптическими разъемами типа FC и PC как в одномодовом, так и в многомодовом исполнении.
ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ
Усиление оптических сигналов, рассматриваемое первоначально как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах, в настоящее время стало самостоятельным направлением в создании оптических усилителей (ОУ).
Не вдаваясь в предысторию, усилители, используемые в настоящее время в ВОЛС, можно разделить на несколько основных типов [5, 6]:
· оптоволоконные (ОВ) усилители (главным образом на основе ОВ, легированного эрбием – Er+3, в международной классификации они именуются EDFA; усилители на основе ОВ, легированного другими редкоземельными металлами; в меньшей степени – оптоволоконные усилители на основе эффекта Рамана);
· полупроводниковые усилители;
· параметрические усилители.
Далее кратко рассмотрены только полупроводниковые ОУ (ПОУ), более подробно ознакомиться с ними можно в работе [6].
Принцип действия ПОУ основан на использовании возбужденной эмиссии, возникающей благодаря взаимодействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронно-дырочными парами активной среды. При этом входной сигнал является источником первичных фотонов, энергия которых должна быть достаточна, чтобы сбросить электроны с верхних уровней зоны проводимости на нижний уровень валентной зоны, где электроны и дырки рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Факт усиления обеспечивается тем, что при прохождении светового сигнала по волноводной структуре активной области происходит лавинное увеличение числа вторичных фотонов в k раз (коэффициент оптического усиления) по сравнению с числом первичных фотонов. Существенно, что усиленное выходное излучение сохраняет форму, длину волны, состояние поляризации и другие параметры идентичными тем, которые соответствовали входному излучению.
Для создания полупроводниковых ОУ использовались гетероэпитаксиальные структуры на основе InAlAs-InGaAs-InP с квантово-размерными слоями, изготовленными методами МОС-гидридной эпитаксии на подложках p-InP и n-GaAs. Эти структуры излучают в диапазоне 840–1560 нм [7]. Из них изготавливались мезаполосковые активные элементы с шириной мезаполоска 3 мкм и длиной резонатора 600–1200 мкм. На переднюю и заднюю грань активного элемента наносились многослойные просветляющие покрытия, а сам элемент монтировался на медном теплоотводе, который охлаждался с помощью ТЭМО. Излучение с задней и передней грани активного элемента ОУ вводилось в одномодовый световод с микролинзой на торце.
В результате удается получить ОУ с коэффициентами усиления до 30 дБ, максимальной выходной мощностью до 20 мВт и шириной полосы усиления 35–60 нм [7]. Это делает ОУ пригодными для усиления не только в системах с одной несущей, но и в системах WDM.
Общий вид полупроводникового ОУ показан на рис.7, а более подробно основные характеристики одной из серии таких усилителей приведены в табл.4.
Таким образом, представленные в данной работе основные характеристики отечественных полупроводниковых лазеров, светодиодов, фотоприемников, оптических усилителей и приемно-передающих модулей на их основе, подтверждают, что отечественные оптоэлектронные приборы для ВОЛС (лазерные диоды, приемники излучения, усилители) не хуже соответствующих зарубежных образцов оптоэлектронных компонентов, применяемых в волоконно-оптической связи, и могут найти самое широкое применение в устройствах и системах ВОСП и электронной промышленности.
Литература
1. Дураев В.П. Источники оптического излучения. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы: Сб. статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.: Изд. Connect, 2000, с. 73–92.
2. Дураев В.П. и др. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530–1560 нм. – Квантовая электроника, 2001, т. 31, №6, с. 529–530.
3. Дураев В.П. Инжекционные лазеры для ВОСП. – Лазерная техника и оптоэлектроника, 1992, №3–4, с. 40.
4. Дураев В.П. и др. Одночастотный полупроводниковый лазер на длине волны 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде. – Квантовая электроника, 1998, т.25, №4, с. 301–302.
5. Дураев В.П. и др. Полупроводниковые оптические усилители на длину волны 630–1560 нм. – Фотон-экспресс, 2004, №1, c. 14.
6. Слепов Н.Н. Оптические усилители. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы: Сб. статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.: Изд. Connect, 2000, с. 97–116.
7. Дураев В.П. и др. – Квантовая электроника, 2001, т.31, №6, с. 529–530.
В работе кратко представлены результаты исследований, разработки и промышленного выпуска отечественных оптоэлектронных компонентов для ВОСП – полупроводниковых источников излучения (лазеров) и оптических усилителей. Рассмотрены их конструкции, электрические, оптические и ресурсные характеристики, дан перечень основных изделий, выпускаемых промышленностью для волоконно-оптических систем связи.
ЛАЗЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Большинство лазеров для ВОСП используют резонаторы Фабри-Перо [1]. Однако для высокоскоростных ВОСП в последнее время стали применять лазеры, имеющие резонаторы с распределенной обратной связью (РОС), или, в международной классификации, – DFB-лазеры.
Для ВОСП, использующих мультиплексирование с разделением по длине волны, или волновое мультиплексирование (WDM), требуются динамически стабильные одночастотные лазеры с очень узкой спектральной линией. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с распределенным брэгговским зеркалом (РБЗ), или лазеры с распределенной брэгговской решеткой (DFB-лазеры), имеющие ширину линии генерации менее 1 МГц.
Наиболее широко в ВОСП применяются лазеры с длиной волны излучения 1300 и 1550 нм. Они используют диапазон рабочих температур до 100°С без охлаждения и имеют мощность излучения до 50 мВт [1].
Важной экономической и технической проблемой (кроме ВОСП) является внедрение гибридных волоконно-коаксиальных систем связи (кабельное телевидение, сети передачи данных, видеоконференцсвязи и мультимедиа), что позволяет довести оптоволокно до каждой квартиры (используя программу "волокно в дом"). Для ее решения требуются лазеры, обладающие повышенной надежностью и малой себестоимостью. Сейчас с этой целью используются лазеры с теми же длинами волн – 1300 и 1550 нм, но с минимальным значением порогового тока порядка 1–3 мА.
По спектральному составу лазеры, используемые в ВОСП, могут иметь как многомодовый, так и одномодовый (а в пределе одночастотный) режим генерации в зависимости от скорости и дальности передачи информации.
Самыми перспективными источниками излучения для ВОСП являются инжекционные лазеры (ИЛ), так как они сочетают в себе свойства генератора несущей частоты и модулятора в широком диапазоне частот.
ИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ
В основу физических принципов конструирования инжекционных лазеров для систем связи положены следующие основные требования: непрерывный и импульсный режимы работы, низкий пороговый ток, широкая полоса модуляции, линейная зависимость мощности излучения от тока, малая излучающая площадь, малые шумы, большой ресурс работы и одномодовый, а в пределе – одночастотный режим работы [2, 3].
Изготовление инжекционных лазеров и светоизлучающих диодов (СИД) начинается с формирования эпитаксиальных структур, выращенных методами: жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ); химического осаждения из газовой фазы металлоорганических соединений (МОС) – МОС-гидридной эпитаксии (МГЭ); эпитаксии из молекулярных пучков (ЭМП). В самом общем смысле метод жидкофазной эпитаксии заключается в выращивании ориентированного кристаллического слоя материала из насыщенного жидкого раствора на кристаллической подложке.
Наиболее распространенный метод выращивания эпитаксиальных структур – химическое осаждение из газовой фазы. Для полупроводниковых соединений типа А3В5 (например, мышьяк-фосфор, AsP) используются четыре различные модификации этого метода. Лазерные диоды (ЛД) в настоящее время изготавливаются в основном методом МОС-гидридной эпитаксии. В гидридном процессе в качестве источников элементов As и P применяются арин (AsH3) и фосфин (PH3). При этом подложками служат арсенид галлия (GaAs) – при создании ЛД на длину волны 800–980 нм и фосфид индия (InP) – при создании ЛД на длину волны 1250–1550 нм.
Эпитаксия из молекулярного пучка (ЭМП) – это метод выращивания, при котором рост эпитаксиального слоя происходит при падении на нагретую поверхность подложки тепловых пучков молекул или атомов в условиях сверхвысокого вакуума. В качестве подложки, как и в первых двух случаях, используются GaAs или InP. От других методов ЭМП отличается тем, что проводится в условиях сверхвысокого вакуума.
Эпитаксиальные структуры делятся на три основных типа: двухсторонние гетероструктуры (ДГС), гетероструктуры с раздельным ограничением (РОДГС) и квантово-размерные структуры (КРС).
Для ВОСП используются в основном источники излучения с полосковой геометрией, в которых область протекания тока ограничена также и по плоскости pn-перехода. Ширина полоска S обычно составляет 3–5 мкм. Такое ограничение по ширине (или в боковом направлении) преследует несколько целей. Во-первых, позволяет уменьшить площадь сечения, а следовательно, и рабочий ток. Во-вторых, при ширине полоска Ј 5 мкм осуществляется генерация в одном канале и в основной поперечной моде. В-третьих, площадь свечения становится соизмеримой с диаметром сердцевины одномодового волокна (7–9 мкм).
Итак, все рассматриваемые здесь устройства для магистральных ВОСП – ЛД, приемники и усилители – изготавливаются из квантово-размерных эпитаксиальных структур на основе фосфида индия с использованием МОС-гидридной технологии. Конструкции активного элемента лазерного диода типа "зарощенная меза" и "гребневидная (недотравленная) меза" показаны на рис.1 и 2.
Полосковая геометрия может быть выполнена различными способами [2]. При использовании для формирования полоска оксидных высокоомных слоев достигается локализация оптической мощности и носителей тока. Такие приборы носят название лазеров с волноводным усилением, поскольку свет локализуется в области с максимальной инверсией населенности. Значительно более сильная боковая локализация обеспечивается в конструкциях, которые называются зарощенными гетероструктурами. В таких лазерах образуется волноводный канал. При этом имеет место как вертикальное, так и горизонтальное ограничение оптического излучения.
В зарощенной гетероструктуре ширина полоска может быть доведена до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток до 5 мА и менее. Лазеры с зарощенной гетероструктурой позволяют реализовать генерацию одной моды, обладают лучшей временной стабильностью и повышенной линейностью выходной характеристики излучения. В связи с этим они становятся наиболее перспективными для ВОСП. В высокоскоростных линиях связи используются в основном зарощенные мезаполосковые лазеры, причем заращивание осуществляется методом МОС-гидридной эпитаксии с использованием высокоомного слоя InP, легированного Fe. Высокоомные слои уменьшают емкость ЛД и улучшают его частотные характеристики.
В линиях связи с волновым мультиплексированием нужно использовать динамически стабильные режимы одночастотного лазера с очень узкой спектральной линией. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ) и шириной линии генерации менее 1 МГц. Спектр генерации такого одночастотного лазера представлен на рис.3.
Наиболее полно требованиям ВОСП отвечают лазеры с длиной волны излучения 1300 и 1550 нм (благодаря малым оптическим потерям в оптоволокне). Ватт-амперные характеристики ЛД с длиной волны 1300 нм в определенном диапазоне температур представлены на рис.4. Такие ЛД нормально работают до температур 100°С без охлаждения и имеют мощность излучения до 50 мВт [2–4].
Для программы "волокно в дом" требуются неохлаждаемые лазеры с повышенной надежностью и малой стоимостью. Минимальное значение полученного для них порогового тока составляет 1–3 мА, ресурс работы – до 500000 часов. По спектральному составу такие лазеры могут иметь как многомодовый, так и одномодовый (в пределе – одночастотный) режим генерации в зависимости от скорости и дальности передачи информации.
В ВОСП все полупроводниковые лазерные диоды и оптические усилители поставляются в виде отдельных передающих лазерных модулей – ПОМ, или просто лазерных модулей. Конструктивно большинство из них оформлено в виде модулей с двухрядным расположением выводов (типа DIL). Наибольшее распространение получили конструкции типа "Баттерфляй" с 8 или 14 выводами (рис. 5 а, б).
Основными элементами лазерного модуля являются ЛД, фотодиоды (ФД), термоэлектрические микроохладители (ТЭМО) типа элементов Пельтье, оптический изолятор и одномодовый световод со сферической линзой на конце для коллимации светового потока. Лазерные модули, разработанные для ВОСП, и их характеристики приведены в табл.1.
Ресурс работы представленных в таблице лазерных модулей составляет более 500000 часов, скорость передачи информации – до 2500 Гбит/с.
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Наряду с лазерными диодами в ВОСП большое место занимают приемники оптического излучения. В настоящее время отечественной промышленностью созданы приемники излучения в спектральном диапазоне от ультрафиолета до глубокой инфракрасной области, работающие в диапазоне скоростей приема до 2,5 Гбит/с.
Наиболее широкое применение среди них нашли приемные оптические модули (ПРОМ) на основе рin-фотодиодов, или фотодиодные модули (ФДМ), с длиной волны излучения от 500 до 1600 нм.
Для высокоскоростных ВОСП разработаны приемные оптические модули, имеющие в своем составе полупроводниковый (твердотельный) усилитель с полосой до 2,5 ГГц.
Основные параметры приемного модуля ФДМ-14-2К и приемного модуля с предусилителем ФДУ-1 (при температуре 25°C) представлены в табл.2 и 3.
Внешний вид конструкции указанных модулей приведен на рис.6. Приемные модули имеют волоконно-оптический выход с оптическими разъемами типа FC и PC как в одномодовом, так и в многомодовом исполнении.
ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ
Усиление оптических сигналов, рассматриваемое первоначально как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах, в настоящее время стало самостоятельным направлением в создании оптических усилителей (ОУ).
Не вдаваясь в предысторию, усилители, используемые в настоящее время в ВОЛС, можно разделить на несколько основных типов [5, 6]:
· оптоволоконные (ОВ) усилители (главным образом на основе ОВ, легированного эрбием – Er+3, в международной классификации они именуются EDFA; усилители на основе ОВ, легированного другими редкоземельными металлами; в меньшей степени – оптоволоконные усилители на основе эффекта Рамана);
· полупроводниковые усилители;
· параметрические усилители.
Далее кратко рассмотрены только полупроводниковые ОУ (ПОУ), более подробно ознакомиться с ними можно в работе [6].
Принцип действия ПОУ основан на использовании возбужденной эмиссии, возникающей благодаря взаимодействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронно-дырочными парами активной среды. При этом входной сигнал является источником первичных фотонов, энергия которых должна быть достаточна, чтобы сбросить электроны с верхних уровней зоны проводимости на нижний уровень валентной зоны, где электроны и дырки рекомбинируют, вызывая появление вторичных фотонов. Факт усиления обеспечивается тем, что при прохождении светового сигнала по волноводной структуре активной области происходит лавинное увеличение числа вторичных фотонов в k раз (коэффициент оптического усиления) по сравнению с числом первичных фотонов. Существенно, что усиленное выходное излучение сохраняет форму, длину волны, состояние поляризации и другие параметры идентичными тем, которые соответствовали входному излучению.
Для создания полупроводниковых ОУ использовались гетероэпитаксиальные структуры на основе InAlAs-InGaAs-InP с квантово-размерными слоями, изготовленными методами МОС-гидридной эпитаксии на подложках p-InP и n-GaAs. Эти структуры излучают в диапазоне 840–1560 нм [7]. Из них изготавливались мезаполосковые активные элементы с шириной мезаполоска 3 мкм и длиной резонатора 600–1200 мкм. На переднюю и заднюю грань активного элемента наносились многослойные просветляющие покрытия, а сам элемент монтировался на медном теплоотводе, который охлаждался с помощью ТЭМО. Излучение с задней и передней грани активного элемента ОУ вводилось в одномодовый световод с микролинзой на торце.
В результате удается получить ОУ с коэффициентами усиления до 30 дБ, максимальной выходной мощностью до 20 мВт и шириной полосы усиления 35–60 нм [7]. Это делает ОУ пригодными для усиления не только в системах с одной несущей, но и в системах WDM.
Общий вид полупроводникового ОУ показан на рис.7, а более подробно основные характеристики одной из серии таких усилителей приведены в табл.4.
Таким образом, представленные в данной работе основные характеристики отечественных полупроводниковых лазеров, светодиодов, фотоприемников, оптических усилителей и приемно-передающих модулей на их основе, подтверждают, что отечественные оптоэлектронные приборы для ВОЛС (лазерные диоды, приемники излучения, усилители) не хуже соответствующих зарубежных образцов оптоэлектронных компонентов, применяемых в волоконно-оптической связи, и могут найти самое широкое применение в устройствах и системах ВОСП и электронной промышленности.
Литература
1. Дураев В.П. Источники оптического излучения. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы: Сб. статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.: Изд. Connect, 2000, с. 73–92.
2. Дураев В.П. и др. Полупроводниковые лазеры с волоконной брэгговской решеткой и узким спектром генерации на длинах волн 1530–1560 нм. – Квантовая электроника, 2001, т. 31, №6, с. 529–530.
3. Дураев В.П. Инжекционные лазеры для ВОСП. – Лазерная техника и оптоэлектроника, 1992, №3–4, с. 40.
4. Дураев В.П. и др. Одночастотный полупроводниковый лазер на длине волны 1,06 мкм с распределенным брэгговским зеркалом в волоконном световоде. – Квантовая электроника, 1998, т.25, №4, с. 301–302.
5. Дураев В.П. и др. Полупроводниковые оптические усилители на длину волны 630–1560 нм. – Фотон-экспресс, 2004, №1, c. 14.
6. Слепов Н.Н. Оптические усилители. – В кн.: Волоконно-оптическая техника: История, достижения, перспективы: Сб. статей под ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.: Изд. Connect, 2000, с. 97–116.
7. Дураев В.П. и др. – Квантовая электроника, 2001, т.31, №6, с. 529–530.
Отзывы читателей
