Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [ 61 ] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

межмодовой дисперсии с тем, чтобы определить максимально допустимое откло" иеиие на параметр а, которое еще будет гарантировать, что значение ajl ие превысит 0,25 нс/км. (При выполнении вычислений будет полезна короткая программа для ЭВМ).

6.5. Недорогое многомодовое градиентное волокно рассматривается дли использования в распределительной сети кабельного телевидения. Диаметр сердцевины равен 150 мкм, а Д-- 0,02. Предполагаемый источник излучения имеет среднеквадратическую ширину спектральной линии 7о = 0,04 относительно длины волиы 0,83 мкм, на которой Na - 1,50, а параметр материальной дисперсии Km = 0,030. Определить степень профиля показателя преломления (т.е. максимально допустимое значение а), при которой межмодовая дисперсия уменьшается до уровни материальной дисперсии. (Величиной б в формуле (6.5.29) можно пренебречь.)

6.6. Найти приближенные значения произведений полосы пропускания иа расстояние для оптических волокон, рассмотренных в задачах 6.2, 6.4 и 6.5.

РЕЗЮМЕ

Приближенные решения уравнений, описывающих распространение световодных электромагнитных волн в градиентных волокнах, могут быть получены для ряда а-профилей сердцевины волокна:

п(г)=По11 -2Д(г/а)«]/2 при г<а, п(г) = По[1-2Д1/2 = п при г>а,

где 1 < а<сю. Эти решения получены в предположении, что {а/п)Х x{dn/dr) С 1 и К = ФЬ - 1Уа > 1. Можно показать, что они эквивалентны лучевому рассмотрению.

Отметим, что случай а = оо соответствует ступенчатому изменению профиля показателя преломления, а а = 2 - параболическому (см. рис. 6.1).

Число распространяющихся в волокне мод равно

(а+2) " (а + 2)

и они образуют Q вырожденных групп, постоянные распространения которых определяются выражением

p, = Poll-2A(9/Q)2«/(«+2)J/2.

Разброс времен распространения мод находится по формуле (за исключением случая, когда значение а лежит в окрестности 2)

ATJhL («-2-46)

(а + 2)



Минимальное значение АГ имеет место при а = 2 (1 + 26 - А) и, следовательно, зависит от дисперсионных свойств легирующих примесей (через б). Оно равно

(ДГи,„«(Л„ 8с)А

При А л; 0,01 наблюдается уменьшение межмодовой дисперсии приблизительно в 10 раз.

Среднеквадратическую длительность импульса (о,) можно вычислить, приняв во внимание энергию и время прибытия каждой модовой группы (см. рис. 6.7). Минимизация требует выполнения условия а ; 2 [1 + 26 - (6А/5)1. В этом случае

(o,),„;„ = (0,029.V„ c)A

На рис. 6.8 приведена зависимость общей дисперсии (a/l) = = [{ojiy + (Oj )]" от параметра профиля волокна а при различных значениях материальной дисперсии (a/l) = УтУи/с.

Неоднородности волокна, имеющие пространственную периодичность порядка 1 мм, вызывают сильное взаимодействие между модовы-мй группами. Это приводит к усреднению общего времени распространения и заставляет увеличиваться пропорционально Z/. Имеет место также взаимодействие и с модами оболочки, вследствие чего растет затухание в волокне.

7. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ 7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В гл. 2 ... 6 рассмотрено оптическое волокно как средство передачи информации, гл. 7 ... 13 посвящены генерации н детектированию оптических сигналов.

Оптический источник для оптоволоконной системы связи должен иметь высокую энергетическую яркость в узкой полосе частот в диапазоне длин волн 0,8 ... 1,7 мк.м, выходное излучение должно легко модулироваться, площадь излучающей поверхности не должна быть больше сердцевнны волокна, угловое распределение излучения должно быть по возможности, согласовано с волокном. Обычно от оптических источников добиваются максимальной мощности излучения 1 и светового потока . Важными параметрами являются коэффициент полезного действия, стоимость и надежность прибора и стабильность выходной мощности (медленный дрейф и высокочастотные флуктуации). Полупроводниковые источники, излучающие свет из р-л-перехода в процессе инжекционной люминесценции, удовлетворяют этим требованиям лучше, чем какие-либо другие.

Широко используются оптические источники двух типов - светоизлучающие дноды н лазерные диоды. Излучение светоизлучающих диодов некогерентно и имеет большую расходимость. Для светоизлучающего диода характерен широкий спектральный диапазон у = АХ/Я, х 0,03. .Можно считать, что выходная мощность изменяется пропорционально току через диод, хотя имеется тенденция

Понятие о единицах измерения радиометрических и фотометрических величин дано в Приложении 4.



к насыщению прн высоких уровнях мощности, что обусловлено ростом температуры полупроводника. Частота модуляции ограничивается 100 МГц, коэффициент полезного действия сравнительно невелик.

Работа лазерного диода более сложна. При низких токах накачки механизм излучения остается тем же. что и в светоднодах (сп- нтанное излучение), а после превышения порога генерация преобладает над спо!тан:1ым излучением. В результате изменяется и характер излучения - оно становится более направленным и когерентным, а в спектре появляется линейчатая структура. Как пороговый ток, так и спектр чувствительны к те.чпературе н поэтому при изменении окружающих условий могут меняться.

На приемном конце системы детектор, используемый для обратного преобразования оптического излучения в электрический сигнал, должен обладать высокой эффективностью. Его инерционность должна соответствовать частоте модуляции, а площадь чувствительной поверхности должна быть согласована с размером сердцевины волокна. Необходимо иметь в виду, что избыточный шум и собственная емкость детектора должны быть минимальны. Эти.м требованиям удовлетворяют полупроводниковые детекторы.

Имеется два типа полупроводниковых детекторов: я-(-л-фотодноды и лавинные фотодиоды. И те. и другие преобразуют падающее на них излуче-)1ие в электрический ток при условии, что длила волны излучения короче некоторой пороговой величины. Выходной ток пропорционален принимаемой мощности. Для работы фотодиодов необходимо электрическое смещение, а лавинные диоды требуют более высоких напряжений (!С0 ... 300 В) для того, чтобы происходило внутреннее умножение первичного тока. Это процесс сильно зависит от температуры. Лавииные диоды более сложны в изготовлении и использовании, но более чувствительны, что важно при регистрации очень слабых оптических сигналов. "

В гл. 8 и 12 подробно описываются наиболее эффективные полупроводниковые источники и детекторы. Как будет видно, наилучшее согласование достигается, если ширина запрещенной зоны детекюра немного меньше ширины запрещенной зоны источника. В первых системах оптической связи использова.гись источники на основе арсенида галлия (GaAs) и детекторы нэ основе кремния (Si). Необходимо отметить, что еще требуются серьезные исследования, чтобы получить идеальный для оптической связи источник излучения. Указанные материалы хорошо работают на длинах волн 0,8...0,9 мкм, но для волокна предпочтительнее более длинные волны. Поэтому требуется исследование других полупроводниковых материалов для использования в качестве источника излучения в детекторе. Уже разработаны германиевые (Ge) детекторы, работающие на длинах волн порядка 1,7 мкм. Имеются совершенно новые полупроводниковые материалы, позволяющие разработать как источники, так и детекторы для длин волн более 1 мкм.

Чтобы определить требования к материалам для полупроводниковых оптических источников и детекторов, придется затронуть теорию полупроводников и полупроводниковых соединений, а также рассмотреть конструкции некоторых типичных приборов. В конце этой главы будут приведены общие свойства оптических источников и детекторов. В гл. 8 будут обсуждены физические механизмы генерации оптического излучения, а в гл. 9 описана структура типичных полупроводниковых диодов, имеющих высокий коэффициент полезного действия в режиме непрерывно работающего при комнатной температуре полупроводникового лазера. Работа полупроводниковых лазеров рассматривается в гл. 10 и 11. Наконец, в гл. 12 и 13 будет рассмотрена работа p-i-n- и лавинных детекторов.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [ 61 ] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.001