Учебная работа. Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

Учебная работа. Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

Введение

Волоконно-оптические полосы связи (ВОЛС) являются в истинное время более многообещающими направляющими системами связи. Основой ВОЛС являются оптические кабели, характеристики передачи которых определяются применяемыми в их волоконными световодами (ВС).

Обширное внедрение волоконно-оптических линий связи в магистральных и внутризоновых сетях, а так же в компьютерных локальных сетях обеспечивает неизменный рост пропускной возможности современных сетей связи. Как следствие, возрастает количество и свойство услуг телекоммуникаций. Соответственно, вопросцы внедрения новейших технологий в стройку ВОЛС и в техно эксплуатацию линейно-кабельного хозяйства ВОЛС стают всё наиболее животрепещущими.

Важной составляющей технической эксплуатации ВОЛС является

метрологическое обеспечение, другими словами измерение главных технических характеристик ВОЛС.С данной целью при технической эксплуатации ВОЛС употребляется широкий парк оптических измерительных устройств:

— оптические тестеры;

— оптические рефлектометры;

— оптические анализаторы диапазона оптических сигналов;

— оптические измерители хроматической дисперсии;

— оптические измерители поляризационной модовой дисперсии.

В этих измерительных устройствах важными многофункциональными элементами

являются измерительные источники оптического излучения (ИОИ), которые почти во всем определяют такие важные технические свойства как точность измерений, чувствительность устройств, погрешность измерений.

Для беспристрастной оценки свойства строй работ и удачной следующей эксплуатации ВОЛС нуждаются в поддержании технических характеристик, а, как следует, и в повторяющихся измерениях собственных черт, на основании которых и делаются выводы о состоянии тех либо других ее участков и магистрали в целом. Одним из более принципиальным таковым характеристик является затухание оптического волокна. Потому исследование устройств для измерения данного параметра и разных способов измерения затухания оптических волокон является принципиальной учебной составляющей при обучении студентов по специальности «Физика и техника оптической связи». Измерение оптической мощности является метрологической основой волоконной оптики, а измерительные источники оптического излучения (ИОИ) в той либо другой форме употребляются фактически в любом средстве измерения характеристик световой волны.

В связи сиим в данной дипломной работе рассмотрены принципы построения и функционирования современных измерительных источников оптического излучения (ИОИ).Рассмотрены разные способы построения измерительных источников оптического излучения, их главные технические свойства, выполнен сравнительный анализ технических черт измерительных источников оптического излучения реализованных с внедрением разных способов построения и различной элементной базы. Приведены примеры серийно выпускаемых измерительных источников оптического излучения и их главные технические свойства. Разработаны испытания и задачки для проведения практических занятий со студентами по данной теме. Короткие теоретические сведения, испытания и задачки оформлены в виде учебного модуля для проведения практического занятия по дисциплине «Метрология в оптических телекоммуникационных системах».

1. Предназначение измерительных источников оптического излучения

1.1 Общие сведения о измерительных источниках оптического излучения

оптический диодик измерительный

В процессе технической эксплуатации оптических систем связи нередко возникает необходимость измерить главные характеристики передаваемых оптических сигналов:

— уровень передачи оптических сигналов;

— уровень приёма оптических сигналов;

— затухание оптических сигналов.

C данной целью для измерений этих характеристик употребляются особые измерительные оптические приборы:

— измерительные источники оптического излучения (ИОИ);

— измерители оптической мощности (ИОМ).

Эти измерительные оптические приборы конструктивно могут быть оформлены в виде отдельных устройств, либо объединены в одном приборе тогда и они именуются оптическими тестерами.

Набросок — 1. Простая схема оптического тестера

Также измерители оптической мощности (ИОМ) и измерительные источники оптического излучения (ИОИ) могут находиться в составе особых оптических измерительных устройств, таковых как:

— оптические рефлектометры;

— оптические анализаторы диапазона оптических сигналов;

— оптические измерители хроматической дисперсии;

— оптические измерители поляризационной модовой дисперсии.

Главным предназначением измерительных источников оптического излучения ИОИ является формирование измерительных оптических сигналов

Для измерения таковых главных характеристик оптических сигналов, как:

— уровень передачи оптических сигналов;

— уровень приёма оптических сигналов;

— затухание оптических сигналов.

к примеру, на рисунке 2 показан наружный вид измерительного источника оптического излучения из набора оптического тестера OLP-55 (компании JDSU), который выполнен в виде отдельного измерительного устройства. Сам оптический тестер состоит из трёх отдельных устройств:

— измерительного источника оптического излучения;

— измерителя оптической мощности;

— переменного оптического аттенюатора.

Набросок 2 — Наружный вид измерительного источника оптического излучения комплета OLP-55 (компании JDSU)

На рисунке 3 показан наружный вид оптического тестера FOD 1203, в каком совмещены измерительный источник оптического излучения (ИОИ) и измеритель оптической мощности (ИОМ).

Набросок 3 — Наружный вид оптического тестера FOD 1203

На рисунке 4 показан наружный вид измерительного источника оптического излучения типа «Алмаз-11».

Набросок 4 Измерительный источник оптического излучения типа «Алмаз-11»

На рисунке 5 приведен пример многоканального оптического тестера ОТ-2-4 производства Института информационных технологий (Беларусь) в составе которого имеется 8 независящих измерительных источников оптического излучения и 8 независящих измерителей оптической мощности.

Набросок 5 Многоканальный оптический тестер ОТ-2-4

Мощность оптического излучения Р может измеряться в единицах мощности (Вт) либо измеряться в логарифмических единицах (уровнях передачи) р (дБм) по отношению к мощности 1 мВт. Для измерения мощности излучения употребляют особые приборы — измерители оптической мощности либо оптические ваттметры.

Измерители оптической мощности (ИОМ) употребляются для определения уровней передачи либо приёма, также для измерения моментальных, средних и наибольших значений мощности в разных точках оптических систем связи. Употребляются последующие единицы измерения мощности оптического излучения:

— линейные — мВт (милливатт)

— логарифмические — дБм (децибелы мощности)

Мощность в дБм представляет собой логарифмическое отношение измеренной мощности P по отношению к опорной (эталонной) мощности P0 в один милливатт:

P(дБм) = 10 lg (P/ P0). (1)

Соответственно одна и та же мощность в дБм и мВт выражается отношением:

P(дБм) = 10 lg P(мВт). (2)

Логарифмические единицы комфортны для одновременного использования мощности и затухания. Затухание в децибелах является разностью мощностей в дБм — опорного P0 на входе оптического тракта и измеренного P на выходе тракта.

Обширно употребляется при измерениях и расчётах последующая формула:

уровень передачи по мощности:

.

— измеренная мощность электронного либо оптического сигнала в некий точке сети связи.

— эталонная мощность 1 мВт.

Измерительные источники оптического излучения должны сформировывать на своём выходе измерительные оптические сигналы с определёнными оптическими параметрами:

— данный уровень передачи (дБм);

— данная длина волны оптического излучения (мкм либо нм);

— данная форма оптического сигнала (аналоговая либо цифровая).

Существует последующая систематизация измерительных источников оптического излучения:

— обычные измерительные источники оптического излучения;

— измерительные источники оптического излучения типа «Указка»;

— стабилизированные измерительные источники оптического излучения.

1.2 Измерение затухания оптического волокна с внедрением измерительных источников оптического излучения и измерителей оптической мощности

Измерительные источники оптического излучения и измерители оптической мощности выполненные в виде отдельных измерительных устройств либо в составе оптических тестеров более нередко используются для измерения величины затухания оптических волокон (ОВ) на простых кабельных участках ВОЛС (ЭКУ ВОЛС).

Измерение затухания ОВ на ЭКУ делается в последующей последовательности:

1. Измеряется уровень передачи оптического излучения на выходе оптического соединительного шнура ОСШ (который также именуется патч-кордом), присоединенного к измерительному источнику оптического излучения (ИОИ) оптического тестера.

1. Для этого нужно один конец патч-корда подключить к интерфейсу измерительного источника оптического излучения (ИОИ), а иной конец к интерфейсу измерителя оптической мощности (ИОМ) этого же тестера. На входе интерфейса ИОМ регится

2. Измеряется уровень приёма оптического излучения на выходе ОСШ, подключённого к измерителю оптической мощности на обратном конце ОВ, как показано на рисунке 7. Для этого, используя этот же патч-корд, которым измерялся уровень передачи, оптический тестер подключается к измеряемому ОВ через оптический адаптер оптического кросса, создавая оптическое разъёмное соединение (ОРС). На другом конце оптическое волокно ЭКУ через оптический адаптер обратного оптического кросса и 2-ой патч-корд подключается к ИОМ другого оптического тестера, который регистрирует измеренный уровень приема. При всем этом предполагается, что уровень передачи оптической мощности на входе торца ОВ не поменялся и равен

Расчет затухания ОВ на данном ЭКУ можно провести, используя последующую формулу:

= , дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)

где,затухание ОВ на ЭКУ (от порта ODF до порта ODF),

затухание оптических соединительных шнуров и ОРС,

настоящий уровень передачи на выходе ИОИ,

измеренный уровень приема на входе ИОМ.

1.3 Общая структурная схема измерительных источников оптического излучения

Главным элементом измерительного источника оптического излучения является светоизлучающий элемент. В современных измерительных источниках оптического излучения для оптических систем связи употребляются два типа светоизлучающих частей:

— лазерные диоды (LD);

— светодиоды (LED).

Лазерный диодик LD (либо светодиод LED) создаёт непрерывное оптическое излучение с определённой длиной волны и определённой выходной мощностью (уровнем передачи).

Простые измерительные источники оптического излучения не имеют способностей перестраивать длину волны оптического излучения и регулировать выходную мощность.

В то же время разработаны разные типы измерительных источников оптического излучения с расширенными способностями:

— перестройки длины волны оптического излучения в определённом спектре;

— регулировки выходной мощности оптического излучения.

Для этого в измерительных источниках оптического излучения имеются устройства для перестройки длины волны и переменные оптические аттенюаторы для регулировки выходной мощности.

Для того, чтоб приблизить характеристики выходного измерительного

Оптического сигнала к настоящим цифровым оптическим сигналам в не-

которых типах измерительных источников оптического излучения предусматривается возможность модулировать непрерывное оптическое излучение от лазерного диодика (либо светодиода) цифровым сигналом с различной частотой.

Для этого в схему ИОИ вводят генератор цифрового сигнала. Обычно такие генераторы делают цифровые сигналы с тактовой частотой 0,5 кГц, 1 кГц, 2 кГц и определённой скважностью импульсов.

Непрерывное оптическое излучение с данной длиной волны и выходной мощностью конкретно выводится на оптический адаптер (розетку), к которому подключается тестируемое оптическое волокно.

Таковым образом, на выходе измерительных источников оптического излучения могут быть сформированы оптические измерительные сигналы различных видов:

— непрерывное оптическое излучение с данной длиной волны и данной оптической мощностью;

— оптический цифровой сигнал с данной длиной волны, данной оптической мощностью и с данной частотой цифровой модуляции.

1.4 Измерительные источники оптического излучения типа «Указка»

Раздельно выделяют группу источников оптического излучения, которая посреди экспертов носит заглавие «указка». Это источники видимого оптического излучения работающие в спектре длин волн 640-660 нм, другими словами в спектре длин волн, воспринимаемом человечьим глазом как красноватый свет. Эти источники предусмотрены для зрительного контроля за состоянием оптических кабелей и патч-кордов волокон на узлах связи. При просвечивании оптического кабеля источником видимого оптического излучения в местах неоднородностей оптических волокон возникает ярко-красное свечение.

1.5 Стабилизированные измерительные источники оптического излучения

Для выполнения измерений с завышенной точностью употребляются стабилизированные измерительные источники оптического излучения.

Стабилизированные источники оптического излучения (Stabilized Light Source — SLS) делают роль ввода в оптическую линию сигнала с завышенной точностью установки выходной мощности и длины волны. время от времени в качестве стабилизированных источников оптического сигнала употребляются источники оптических сигнала оптического линейного оборудования. Это имеет пространство в уже развернутой работающей сети.

Структурная схема SLS представлена на рисунке 9.

Главным элементом SLS является стабилизированный излучатель — источник оптического сигнала. Стабильность генерируемого сигнала излучателя поддерживается методом регулирования тока излучателя по сигналу рассогласования источника опорного напряжения и напряжения эталонного фотоприемника. Фотоприемник служит для контроля мощности, генерируемой излучателем. Для этого часть излучаемого оптического сигнала через оптический ответвитель подается на эталонный фотоприемник. Стабилизация рабочей точки излучателя осуществляется компаратором. Температурный режим работы излучателя поддерживается термостабилизатором. В ряде методик измерения характеристик оптических систем передачи употребляются модулированные оптические сигналы, для обеспечения генерации которых в состав SLS врубается коммутатор, обеспечивающий модуляцию оптического сигнала за счет управления током излучателя от наружного либо внутреннего генератора.

.

Набросок 9 Структурная схема стабилизированного измерительного источника оптического излучения

1.6 Главные требования к техническим чертам измерителей оптической мощности

Зависимо от области внедрения измерительные источники оптического излучения (ИОИ) должны обеспечивать измерение средней оптической мощности и затухания оптических сигналов вместе с измерителями оптической мощности (ИОМ) многомодовых и / либо одномодовых оптических компонент ВОСП и оптических волокон ОВ.

Измерительные источники оптического излучения (ИОИ) созданные для работы с наружными средствами вычислительной техники (в том числе для работы в автоматических измерительных комплексах), должны удовлетворять требованиям по взаимодействию через стык С2 (RS-232/V.24) — по ГОСТ 18145 и ГОСТ 23675 и / либо через остальные интерфейсы, определяемые критериями их внедрения.

В приборе быть может предусмотрена возможность сохранения характеристик установленных режимов (к примеру, во внутренней энергонезависимой памяти), также возможность сохранения результатов измерения. Технические данные средств для сохранения инфы (интегрированных либо наружных) должны указываться в технической документации на устройство.

Требования к конструкции

Измерительные источники оптического излучения (ИОИ) могут состоять из одного блока для всех применений либо из базисного блока и сменных блоков для измерения черт различных типов оптических компонент на различных длинах волн.

Устройство быть может выполнен в виде модуля, встраиваемого в базисный блок остальных устройств (к примеру, тестеров, всепригодных рефлектометров и т.д.).

Для устройств, состоящих из одного блока, рекомендуется малогабаритное выполнение.

Приборы (не считая встраиваемых модулей) должны быть выполнены в корпусе, обеспечивающем защиту от наружных механических действий. Приборы совместно с их принадлежностями могут улечся в футляр (укладочный ящик), добавочно смягчающий наружные механические действия. Футляр быть может обеспечен ручкой либо ремнем для переноски.

Встраиваемые модули могут иметь систему, определяемую критериями их внедрения в устройствах, в составе которых они используются.

Масса и габариты устройства должны соответствовать значениям, обозначенным в технической документации на устройство. Масса и габариты встраиваемых модулей, не имеющих самостоятельного внедрения, могут не указываться.

Приборы обязаны иметь средства индикации установленных режимов и результатов измерения.

характеристики средств индикации могут указываться в технической документации на устройство.

Устройство должен быть обеспечен оптическим соединителем типа FC (Fiber Contact) и / либо остальных типов (SC, DIN, ST, DIAMOND, SMA и др., в том числе всепригодными адаптерами) для подключения ОВ.

Система оптического соединителя (либо самого устройства) обязана обеспечивать защиту от попадания пыли, когда к нему не подключено ОВ.

Требования к главным характеристикам и чертам

Спектры длин волн излучаемой оптической мощности и длины волн калибровки должны соответствовать значениям, установленным в технической документации на устройство.

Рекомендуемые значения диапазонов длин волн излучаемой оптической мощности для соответственных спектральных диапазонов ВОСП не наименее: (800 — 900), (1250-1350), (1500-1600), (1600-1700) нм. значения длин волн калибровки могут выбираться из ряда: 850, 1300, 1310, 1550, 1625 нм.

Единицы измерения должны индицироваться на мониторе.

(Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) и Вт (мВт, мкВт, нВт).

Спектр мощности оптического излучения должен соответствовать значениям, установленным в технической документации на устройство.

Рекомендуемые значения спектра мощности оптического излучения не наименее:

— минус 6 — плюс 4,7 дБм для одноканальных ВОСП;

— минус 7 — плюс 4,7 дБм для многоканальных ВОСП.

Разрешение по шкале мощности оптического излучения обязано быть не наиболее 0,1 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений) (рекомендуемое (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)).

Основная погрешность мощности оптического излучения обязана соответствовать значениям, установленным в технической документации на устройство. При всем этом в технической документации могут указываться условия, при которых допускается нормирование остальных видов главный погрешности.

В приборе могут быть обеспечены последующие многофункциональные способности:

— индикация выхода мощности оптического излучения за границы спектра измерений;

— автоматическая корректировка нуля;

— корректировка спектральной свойства;

— усреднение результатов измерения по нескольким значениям;

— режим формирования оптического цифрового сигнала, модулированного по амплитуде цифровым сигналом (меандром) с номинальной частотой повторения импульсов, соответственной одному либо нескольким значениям из ряда: 270, 330, 1000, 2000 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ).

Требования к электропитанию

Электоропитание устройства обязано осуществляться от 1-го либо нескольких источников электронной энергии:

— от встраиваемых либо наружных источников неизменного тока;

— от сети переменного тока с номинальным напряжением 220 В.

Устройство должен сохранять главные нормируемые свойства при последующих критериях внедрения в отношении источников электропитания:

— при питании от встраиваемых источников неизменного тока в течение времени, не наименее установленной в технических критериях длительности работы для встраиваемых источников неизменного тока определенного типа при обозначенных критериях (режимах) работы;

— при питании от наружных источников неизменного тока, характеристики которых (напряжение, сила наибольшего потребляемого тока и пульсации) для рабочих критерий соответствуют установленным в технических критериях;

— при питании (в том числе через сетевой адаптер) от сети переменного тока частотой 50 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ) напряжением (220 +/ — 22) В согласно ГОСТ 22261.

При питании от встраиваемых источников неизменного тока в приборе обязана быть обеспечена индикация разряда встраиваемых источников питания. Добавочно быть может предусмотрена функция автовыключения. При использовании в качестве наружного источника неизменного тока сетевого адаптера (преобразователя-выпрямителя сетевого напряжения в требуемое напряжение питания неизменного тока), входящего в набор устройства, напряжение, сила наибольшего потребляемого тока и пульсации могут не указываться.

2. Светоизлучающие элементы в измерительных источниках оптического излучения

2.1 Общие сведения

Главным элементом измерительного источника оптического излучения является светоизлучающий элемент. В современных измерительных источниках оптического излучения для оптических систем связи употребляются два типа светоизлучающих частей:

— лазерные диоды (LD);

— светодиоды (LED).

Базисными материалами для производства таковых источников излучения являются последующие материалы:

— арсенид галлия GaAs;

— фосфид индия InP;

— 3-х и четырехкомпонентные соединения на их базе — GaAlAs (арсенид галлия и алюминия), GaInAsP (фосфид галлия индия и арсенида), InGaAs (арсенид индия и галия).

Лазерные источники (LD) и светодиодные источники (LED)

различаются, основным образом, чертой добротности источника — шириной полосы излучения. Лазерные источники имеют высшую добротность и неширокую полосу излучения (порядка 0,1 — 4 нм, светодиодные источники имеют низкую добротность и широкую полосу излучения (порядка 50 — 200 нм).

На рисунке изображена систематизация современных источников оптического излучения применяемых в оптических системах связи.

Расположено на /

Расположено на /

Набросок 10 систематизация источников оптического излучения в оптических системах связи

2.2 Светодиодные источники оптического излучения

Принцип деяния светодиодных источников оптического излучения (светодиодов LED) основан на явлении электролюминесценции, другими словами излучения света некими материалами под действием электронного поля. Излучение фотонов обеспечивается инжекционной электролюминесценцией.

Простая схема p-n—перехода в кристалле полупроводника приведена на рис. Носители электронного заряда (электроны и дырки) могут передвигаться в полупроводнике под действием электронного либо магнитного полей.

На рисунке 11 показана область полупроводника n — типа, электронный ток в какой проводится негативно заряженными частичками (электронами);

Иная область — это область p—типа, электронный ток в какой проводится положительно заряженными частичками (дырками);

Без наружного электронного поля в p-n переходе носители p-области (дырки) диффундируют (передвигаются) в n-область, заряжая ее положительно. Носители n-области (электроны) диффундируют в p-область, создавая в ней отрицательный заряд. Таковая встречная диффузия будет длиться до того времени, пока возникающее электронное поле U0 не приостановит предстоящее повышение диффузионного тока.

В плоскости контакта p-n перехода возникает разность потенциалов — возможный барьер eU0, препятствующий диффузии электронов в р-область и дырок в n-область.

Набросок 11 Схема p-n-перехода и его энергетическая диаграмма
Для практического внедрения употребляют наиболее сложные конструкции p—n переходов, которые получили заглавие гетеропереходы Гетеропереход — это переход меж разными областями полупроводника, образованный меж материалами со схожей кристаллической структурой, но владеющими разной шириной нелегальной зоны и показателями преломления.
Различают три структуры LED с внедрением гетеропереходов: — с поверхностным излучением;
— с торцевым излучением;
— суперлюминесцентные светодиоды (СЛД).
В LED с поверхностным излучением оптический сигнал выводится с поверхности активного слоя в перпендикулярной ему плоскости. Оптическое волокно присоединяется к поверхности светодиода через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает действенный ввод мощности спонтанного излучения в оптическое волокно.
В качестве примера на рисунке 12 показана система светоизлучающего диодика LED с поверхностным оптическим излучением трёхслойного типа.
Светодиод имеет трехслойную структуру: пассивные слои и активный слой. В n-области вольные электроны занимают разрешенные уровни в зоне проводимости, а в p-области дырки занимают надлежащие уровни в валентной зоне.
Рисунке 12. Система светоизлучающего диодика LED с поверхностным оптическим излучением трёхслойного типа
При приложении прямого смещения с внедрением наружного источника напряжения наблюдается односторонняя инжекция (перемещение) электронов и дырок в активный слой. Высочайшая концентрация носителей в активном слое обеспечивается скачком потенциала Е на границе гетероперехода. В активном слое наблюдается рекомбинация неосновных носителей с выделением лишней энергии в виде фотонов света. СИД работает на базе спонтанного излучения и сформировывает некогерентные волны с длиной волны:
(1)
Соотношение характеристик преломления активного и пассивного слоев n2>n1 обеспечивает волноводный эффект и увеличивает КПД источника.
На рисунке 13 приведена система LED с торцевым излучением.
Набросок 13 Система LED с торцевым излучением
В торцевом LED излучение выводится с 1-го торца активного слоя в параллельной к нему плоскости. иной торец активного слоя производится в виде зеркала. Излучающий торец согласуется с оптическим волокном линзовой системой.
В суперлюминесцентных светодиодах (СЛД) поочередно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в итоге спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное — принужденное излучение — является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД владеет высочайшим оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и таковой излучатель, в целом, можно разглядывать как однопроходный усилитель света. По конструкции СЛД соответствует торцевому СИД, но работает при наиболее больших токах инжекции от 50 до 100 мА.
В светодиодных источниках употребляется принцип спонтанного излучения света, потому сигнал светодиода является некогерентным и спектрально наиболее однородным.
Из-за спонтанного излучения светодиоды имеют широкий диапазон излучения, обычно в границах 50-200 нм.
Для стабилизации уровня выходной мощности LED довольно стабилизировать цепь питания источника, потому светодиодные источники различаются завышенной стабильностью выходного уровня. Они дешевле лазерных и нередко используются для анализа утрат в оптических кабелях малой длины. Но внедрение их для измерения значимых величин затуханий оптического волокна, когда нужна значимая мощность передаваемого измерительного оптического сигнала, нецелесообразно, потому что выходная мощность оптического излучения у их существенно меньше чем у лазерных диодов.
При разработке конструкций СИД нужно уменьшать поглощение фотонов полупроводником и обеспечить действенный ввод излучения в оптическое волокно.
2.3 Принцип деяния и система лазерных диодов

Полупроводниковый лазер это излучающий полупроводниковый устройство, созданный для конкретного преобразования электронной энергии в энергию когерентного оптического излучения.

В базе принципа деяния лазера лежат три физических явления: — инверсия населенности;

— принужденное излучение;

— положительная оборотная связь.

Лазер состоит из 3-х главных частей:

— активной среды (активного элемента), в какой создается инверсия населенности;

— источника накачки;

— устройства, обеспечивающего положительную оборотную связь (оптический резонатор).

Общая структурная схема лазера приведена на рисунке 14

Набросок 14 Общая структурная схема лазера

Активная среда

В качестве активной среды в инжекционных лазерах употребляют полупроводниковый кристалл с p-n переходом. При всем этом p-n переходом именуется условная граница раздела 2-ух областей кристалла, одна из которых имеет дырочный тип проводимости, а иная электрический.

В электронике для производства p-n переходов почаще всего употребляется один полупроводниковый материал (обычно, это кремний) и потому такие переходы именуют время от времени гомопереходами. В оптоэлектронике, а именно при изготовлении лазеров, возникает необходимость сотворения p-n переходов с внедрением разных полупроводниковых материалов. Переходы, в каких употребляется наиболее 1-го полупроводникового материала, именуют гетеропереходами.

Потому что показатель преломления полупроводниковых материалов, применяемых в лазерной технике, обычно наиболее 2,5, а в активной лазерной среде превосходит 3,5, то коэффициент отражения на границе полупроводниковый кристалл воздух довольно высок (0,3…0,6).

Однородный полупроводник при любом уровне легирования остается электрически нейтральным, но в слоях, с 2-ух сторон примыкающих к p-n-переходу, электронейтральность отсутствует. В итоге диффузии дырок из p-области в n-область и электронов в оборотном направлении около p-n-перехода создается область большого заряда q, а нейтральными будут лишь удаленные участки диодика. большой заряд в p-области отрицательный, а в n-области положительный. Этот объёмный заряд делает внутреннее электронное поле внутр направленное из n-области в p-область.

Набросок 15 Образование большого заряда и внутреннего поля в p-n переходе

Это значит, что с переходом из p-области в n-область электростатический потенциал электрона растет, а в нейтральных областях диодика он постоянен.

Изменение возможной энергии электрона поблизости p-n-перехода приводит к искривлению энергетических зон полупроводника. Меж p и n областями диодика при отсутствии наружного действия устанавливается термодинамическое равновесие и распределение электронов и дырок характеризуется одним уровнем Ферми EF.

Если к лазерному диодику приложить электронное напряжение в прямом направлении (плюс к p—области), то искривление зон уменьшится, так как наружное электронное поле ориентировано против внутреннего электронного поля внутр, и снизится возможный барьер, сделанный внутренним полем.

Набросок 16 Полупроводниковый переход без наружного поля

Электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу. Их квазиравновесное распределение по энергиям характеризуется 2-мя квазиуровнями Ферми Fn и Fp.

При всем этом в неком слое полупроводника может оказаться, что

Fn — Fp > Eg, т.е. производится условие инверсной населенности.

Набросок 17 Полупроводниковый переход при наложениипрямого наружного поля

При схожей концентрации электронов и дырок квазиуровень Ферми в n—области входит поглубже в зону проводимости, чем в валентную зону в p—области, потому что плотность состояний в зоне проводимости обычно меньше, чем в валентной зоне. В итоге этого активный слой сдвинут в p-область диодика.

При преходе электронов с наиболее больших энергетических уровней на наиболее низкие происходит излучение квантов света.

В активной области полупроводникового кристалла могут быть последующие электрические состояния:

— поглощение фотонов атомами кристалла;

— спонтанное излучение фотонов;

— стимулированное излучение фотонов.

В критериях термодинамического равновесия населённость электронами нижнего уровня N1 постоянно больше населённости верхнего N 2. Потому электромагнитная волна теряет больше энергии, чем приобретает, другими словами имеет пространство поглощение света.

Чтоб сделать условия для усиления света нужно, чтоб излучаемые волны в итоге принужденных переходов электронов с верхних уровней на нижние уровни по частоте, направлению распространения, поляризации и фазе были тождественны первичной волне и, как следует, когерентны друг другу. Конкретно когерентность принужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не попросту к доп излучению новейших волн.

Для усиление излучения нужно, чтоб на верхнем уровне в расчете на одно квантово-механическое состояние было частиц(электронов) больше, чем на нижнем.

Оптический резонатор

Для появления генерации в усиливающей среде нужна оборотная связь. Такую связь производят при помощи оптического резонатора.

Оптическим резонатором именуется система отражающих, преломляющих, фокусирующих, дисперсионных и остальных оптических частей, в пространстве меж которыми могут возбуждаться определенные типы колебаний электромагнитного поля оптического спектра, именуемые своими колебаниями, либо модами резонатора.

Простым оптическим резонатором является тонкий резонатор (интерферометр Фабри-Перо), состоящий из 2-ух плоскопараллельных пластинок, расположенных на расстоянии l друг от друга. В качестве одной пластинки можно применять «глухое» зеркало, коэффициент отражения которого близок к единице. 2-ая пластинка обязана быть отчасти прозрачной, чтоб генерируемое излучение могло выйти из резонатора. Для роста коэффициента отражения пластинок на их обычно наносят мультислойные диэлектрические отражающие покрытия. время от времени их наносят конкретно на плоскопараллельные торцы стержней активной среды.

Набросок 18 структура оптического резонатора

Ввиду высочайшего коэффициента усиления для получения оптического резонатора в полупроводниковых лазерах не требуется особых зеркал. Довольно создать два торца диодика параллельными друг другу и перпендикулярными к p-n-переходу.

При малых токах накачки в активной области, подобно светодиоду, возникает спонтанное излучение. При всем этом активная область испускает спонтанные фотоны (СПФ) во все стороны и большая часть эту область покидает. часть фотонов спонтанного излучения отразятся от зеркала оптического резонптора и пройдут строго в плоскости активной области к обратному зеркалу.

Спонтанное излучение 1-го из возбуждённых атомов активной среды (т.е. атома, находящегося на уровне Eс), до этого чем оно выйдет из объёма V резонатора, может вызвать обязанные переходы остальных возбуждённых атомов и вследствие этого усилится.

Усиление зависит от пути, проходимого волной в среде, другими словами от направления. Если поместить активную среду в простой оптический резонатор, то в более подходящие условия попадает волна, распространяющаяся вдоль его оси.

Фотоны, сталкиваясь с электронами, отдают им кванты энергии. Получив доп энергию, некие электроны, находящиеся на энергетических уровнях в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками валентной зоны. Вновь появляются фотоны, но в отличие от спонтанных, они являются стимулированными (СТФ). Когерентные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности, и интерферировать меж собой.

Интерференцией волн именуется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их обоюдное усиление в одних точках места и ослабление в остальных зависимо от дела меж фазами этих волн. Интерферировать могут лишь когерентные волны, которым соответствуют колебания, совершающиеся вдоль 1-го и такого же либо близких направлений.

Длина резонатора выбирается таковой, чтоб на ней укладывалось целое число полуволн:

(5)

где q = 1,2,3… — число полуволн;

В итоге всякого «прохода» интенсивность волны возрастает, потому что число СТФ вырастает лавинообразно, а так как число электронно-дырочных пар в единице размера, не изменяется, стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. При неком пороговом токе накачки спонтанное излучение совсем угнетается, в резонаторе устанавливается стоячая волна, а через полупрозрачные зеркала выходит поток когерентного излучения. Этот режим именуют режимом генерации лазера.

В резонаторах могут возбуждаться колебания лишь определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний именуются резонансными либо своими частотами резонатора, а колебания модами резонатора.

Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таковым образом, чтоб в нем сохранялось маленькое число мод, а другие должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми.

Накачка

Среду с инверсией населённостей какой-нибудь пары уровней, способную усиливать излучение, обычно именуют активной либо лазерной. процесс возбуждения среды с целью выполнения условия N2 > N1 именуется накачкой, а наружный источник возбуждения — источником накачки.

В полупроводниках активную среду может быть создавать;

1) инжекцией носителей тока через электронно-дырочный переход;

2) оптическим возбуждением

В технике оптических систем связи источником накачки полупроводниковых материалов является источник электронного тока.

В полупроводниковых лазерах преобладающим видом накачки является инжекция тока через p-n переход с внедрением гетероструктур.

2.4 Сравнительный анализ главных технических черт светодиодов и лазерных диодов

Главными чертами полупроводниковых лазеров и светодиодов являются:

— выходная мощность и ватт-амперная черта;

— спектральная черта выходного оптического излучения;

— модовый состав оптического излучения;

— диаграмма направленности оптического излучения;

— быстродействие источников оптического излучения.

Выходная мощность и ватт-амперная черта

Зависимость выходной мощности оптического излучения светодиода либо лазерного диодика от величины тока накачки именуется ватт-амперной чертой. Обычная ватт-амперная черта светодиода (СИД) и лазерного диодика (ЛД) приведена на рисунке 19.

Набросок 19 Пример ватт-амперной свойства светодиода (СИД) и лазерного диодика (ЛД)

Выходная мощность светодиода растет приблизительно линейно с повышением тока накачки. Выходная мощность лазерного диодика растет приблизительно линейно с повышением тока накачки до порога генерации I пор, а потом возрастает лавинообразно в несколько раз до величины тока накачки I 3, при котором наступает перегрев кристалла и его разрушение. Аналогичное ограничение по току накачки имеет и светодиод.

Рабочий участок лазера, это квазилинейный участок от I пор до I 2, на этом участке делается цифровая модуляция оптического излучения лазера.

Выходная мощность оптического излучения лазерного диодика в 10-ки раз больше выходной мощности оптического излучения светодиода.

Серьёзным недочетом лазерных диодов по сопоставлению со светодиодами является существенно наименьшее время деградации, которое определяется как время в течении которого миниатюризируется излучаемая оптическая мощность вдвое при одном и том же токе накачки.

Потому что ЛД работают при наиболее больших плотностях тока накачки, это приводит к наиболее резвой деградации полупроводникового слоя.

Спектральная черта выходного оптического излучения

Одним из главных характеристик светоизлучающих частей является ширина диапазона излучения, т.е. спектр частот либо длин волн, который обхватывает излучение данного оптического устройства

Лазеры являются когерентными источниками, владеющими узенькой спектральной шириной излучения (0,1-3 нм). Светодиодные оптические источники имеют наиболее широкий диапазон излучения, обычно в границах 50-200 нм. Спектральная черта оптического излучения лазерного и светодиодного источника представлены на рисунке 20.

Набросок 20 Спектральная черта оптического излучения лазерного и светодиодного источников

Ширина диапазона оптического излучения источника () обычно определяется на уровне 0,5 от наибольшей мощности излучения (Pumax).

Примеры спектральных черт оптического излучения для светодиодов и различных типов лазеров приведены на рисунке 21

Набросок 21 Спектральные свойства оптического излучения

Оптическое излучение на выходе светодиодов является многомодовым.

Модовый состав оптического излучения

Состав оптического излучения на выходе лазерных диодов зависит от конструкции лазерного диодика. В истинное время в оптических системах связи более обширное применение отыскали последующие типы полупроводниковых лазеров: Оптическое излучение на выходе светодиодов является многомодовым.

Состав оптического излучения на выходе лазерных диодов зависит от конструкции лазерного диодика. В истинное время в оптических системах связи более обширное применение отыскали последующие типы полупроводниковых лазеров:

— лазеры Фабри — Перо (FP, многомодовые);

— лазеры с распределённой оборотной связью (DFB, одномодовые);

— лазеры с распределённым брэгговским отражением (DBR, одномодовые).

— лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL, одномодовые).

В оптических тестерах и оптических рефлектометрах обширно употребляются лазеры Фабри — Перо, потому что их стоимость намного меньше остальных типов лазеров. Система лазерного диодика Фабри-Перо (FP) с двойной гетероструктурой приведена на рисунке 22.

Набросок 22 Система лазера с резонатором Фабри-Перо

Диаграмма направленности оптического излучения

Диаграмма направленности оптического излучения указывает распре — деление оптической мощности в пространстве на выходе светоизлучающего элемента. На рисунке 23 показаны примеры диаграмм направленности для лазерных диодов (ЛД) и светодиодов (СИД) при вводе оптического излучения в оптичекое волокно.

Набросок 23 Ддиаграмма направленности: оптического излучения при вводе в оптическое волокно; а) СИД, б) ЛД

Для СИД в параллельной и перпендикулярной плоскости: углы отличия по вертикали и горизонтали x,y — 90о-180о, для ЛД: х=20-30о y=30-60о.

Таковым образом, на выходе лазерных диодов формируется наиболее узенький пучок оптического излучения, который легче вводить в оптическое волокно.

Быстродействие источников оптического излучения

Быстродействие источников оптического излучения описывает время преобразования электронного сигнала в оптический сигнал.

На выходе источника импульс считается перевоплощенным, если его мощность достигнула значения 0,9 Pumax. Быстродействие характеризуется через время нарастания фронтального фронта н — это время в течение, которого амплитуда импульса меняется от уровня 0,1 до 0,9 от наибольшей мощности (Pumax).

Набросок 24 Быстродействие источников оптического излучения

время нарастания фронтального фронта н описывает наивысшую частоту модуляции источника. Усреднённые данные о величинах быстродействия светодиодов и лазерных диодов приведены в таблице.

Таблица 1 Сравнительные данные о быстродействие источников оптического излучения (светодиодов СИД и лазерных диодов ЛД).

Для СИД

Для ЛД

н5 нс

н=0,15 нс

f = 70МГц

f = 2,5ГГц

3. Главные эксплуатационные свойства серийных измерительных источников оптического излучения и их сравнительный анализ

В истинное время разными фирмами выпускаются существенное количество разных типов серийных измерительных источников оптического излучения.

Набросок 25 Общая систематизация серийных измерительных источников оптического излучения

Серийные измерительные источники оптического излучения выпускаются последующих типов:

— на одну фиксированную длину волны оптического излучения с одним выходным интерфейсом;

— на две фиксированные длины волны оптического излучения с 2-мя выходными интерфейсами;

— с перестройкой длин волн оптического излучения с одним выходным интерфейсом;

— с регулировкой выходной оптической мощности;

— без регулировки выходной оптической мощности.

Измерительные источники оптического излучения (ИОИ) и измерители оптической мощности (ИОМ) конструктивно могут быть оформлены в виде отдельных устройств, либо объединены в одном приборе тогда и они именуются оптическими тестерами.

Главными эксплуатационными чертами измерительных источников оптического излучения (ИОИ) являются:

— спектр длин волн оптического излучения;

— возможность перестройки длины волны оптического излучения;

— выходная мошность и возможность регулировки выходной мощности;

— ширина диапазона оптического излучения:

— возможность цифровой модуляции оптического излучения вспомогательными цифровыми сигналами;

— тип оптических выходных интерфейсов (оптических адаптеров);

— электропитание (сухие элементы, батареи, адаптеры на 220 В).

Сравнительные эксплуатационные свойства измерителныхисточников оптического излучения разных предприятий-производителей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные эксплуатационные свойства серийных измерительных источников оптического излучения

Производитель

ЛОНИИР

КБВП

Wavetek

ANDO

EXFO

Марка

«Алмаз11»

FOD 2107

OLS-6

AQ4251

FOT 700

Тип источника

Лазер

Лазер

Лазер

Лазер

Лазер

Длина волны, нм

850
1310
1550

1550

1310
1550

1310
1550

1310
1550

Уровень выходного сигнала, дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)

больше либо равно -3

-3

-7

-7

-4

Непостоянность выходного уровня, дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)

0,1

0,05

Н/д

0,05 (за 5 минут)

0,1 (за 8 часов)

Ширина диапазона излучения, нм

меньше либо равно 5

Н/д

Н/д

меньше либо равно 5

меньше либо равно 5

время непрерывной работы от 1-го набора источников, ч

30

24

Н/д

15

195

Габариты, мм

195х100х41

150х90х30

185х95х49

265х88х43

227х110х64

Вес, г

Н/д

300

500

450

860

4. Разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения»

4.1 Общие сведения по учебному модулю

оптический диодик измерительный

Целью данной дипломной работы является разработка учебного модуля «Измерительные источники оптического излучения для систем оптической связи» по дисциплине «Метрология в оптических телекоммуникационных системах», которая изучается в рамках специальности «Физика и техника оптической связи».

Для исследования данной темы в учебном плане дисциплины отводится 2 часа для практического занятия и 2 часа для лабораторного занятия.

В связи с сиим данный учебный модуль должен быть реализован в виде одного методического управления к практическому занятию (2 часа) и лабораторному занятию (2 часа).

4.2 Содержание методического управления к учебному модулю «Измерительные источники оптического излучения для систем оптической связи»

Методическое управление к учебному модулю «Измерительные источники оптического излучения для систем оптической связи» имеет последующее содержание:

Раздел 1. Цель практического и лабораторного занятий.

Раздел 2. Короткие теоретические сведения о принципах построения и функционирования измерительных источников оптического излучения для систем оптической связи.

Раздел 3. Содержание лабораторного занятия

Раздел 4. Содержание практического занятия.

Раздел 5. Перечень использованных источников.

Методическое управление обязано иметь электрическую версию и печатную версию, которую педагог выдаёт группам студентов во время занятий.

Раздел 1. Цель практического и лабораторного занятий

Цель практического занятия

1. Изучить принципы построения и функционирования измерительных источников оптического излучения,

2. Изучить главные технические свойства измерительных источников оптического излучения,

3. Изучить способы использования измерительных источников оптического излучения в критериях технической эксплуатации для производства измерений.

4. Ответить на вопросцы теста.

5. Решить задачки по вариантам, данным педагогом.

Цель лабораторного занятия

1. Изучить систему и технические свойства измерительных источников оптического излучения серийного производства (в составе оптических тестеров FOD 1203).

2. Получить способности подключения измерительных источников оптического излучения к измеряемым объектам. Получить способности управления измерительными источниками оптического излучения, научиться выбирать режимы работы.

3. Изучить требования к выбору оптических соединительных шнуров для проведения разных измерений.

4. Выполнить измерение нужных уровней передачи и приёма для определения затухания оптического волокна на ЭКУ учебной волоконно-оптической полосы связи данной конфигурации используя способы измерения изученные на практическом занятие;

4. Выполнить расчёт величины затухания оптического волокна и коэффициента затухания оптического волокна по результатам измерений используя методику и расчётные формулы изученные на практическом занятие;

5. Создать выводы по результатам измерений и расчётов.

Раздел 2. Содержание коротких теоретических сведений о принципах построения и функционирования измерительных источников оптического излучения для систем оптической связи.

1. Общие сведения о измерительных источников оптического излучения.

2. Принципы построения и функционирования измерительных источников оптического излучения

3. Главные требования к эксплуатационным чертам измерительных источников оптического излучения.

]]>