Одномодовые (SLM) лазеры

SLM-лазеры сконструированы так, что потери в резонаторе различны

для его различных продольных мод, в противоположность тому, что имеет

место для MLM, потери которых независимы от мод. В MLM-лазере продольная мода с минимальными резонаторными потерями достигает порога первой и становится доминантной модой. Другие соседние моды приэтом дискриминируются, благодаря их более высоким потерям, которые удерживают нарастание мощности от спонтанного излучения. В этом случае мощность, переносимая этими «вторичными» модами, обычно низкого уровня, меньше 1% полной излучаемой мощности. Если SLM-лазер настроен правильно, то можно ожидать, что первая боковая мода по крайней мере на 30 дБ ниже, чем доминантная мода.

Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB)

Структура DFB-лазера имеет встроенные возможности выбора длины

волны благодаря механизму обратной связи. Обратная связь не локализована

в одном месте, а распределена по длине резонаторной полости. Этот тип

лазера содержит периодические дифракционные решетки между двумя слоями лазерной структуры (обычно между интерфейсной п-InP подложкой и

n - InGaAsP слоями) для создания обратной связи на фиксированной длине

волны, которая определяется шагом дифракционной решетки. Это соответствует периодическому изменению показателя преломления моды.

DFB-лазер очень чувствителен к оптической обратной связи, в особенности от оптических разъемов, которые служат интерфейсами между лазером и волокном основной линии связи. Даже относительно небольшая обратная связь (уровнем меньше, чем 0, 1%) может дестабилизировать лазер и повлиять на характеристики системы. Так, например, если ширина линии увеличивается, то может произойти скачкообразное изменение моды и увеличение шума относительной интенсивности (RIN) - шума, генерируемого DFB-лазером). Можно предпринять ряд шагов, чтобы уменьшить интенсивность обратной связи или ослабить эффект от ее влияния. Один из таких шагов – использовать антиотражающие покрытия. Обратную связь можно также уменьшить путем скалывания кончика волокна под небольшим углом (см. гл. 3), так чтобы отраженный свет не попал на активную область такого лазера. Еще один, более радикальный, шаг состоит в том, чтобы установить изолятор

между лазером и интерфейсом оптического разъема.

Важным параметром DFB-лазера является коэффициент подавления моды (MSR). При проектировании таких типов полупроводниковых лазеров основная цель состоит в ослаблении побочных продольных мод и получении

максимально возможной мощности доминантной моды (см. рис.3). Можно

ожидать значение MSR на уровне > 30 дБ для DFB-лазера непрерывного

излучения. Наш интерес здесь в том, чтобы передать световой сигнал лазе-

ром с одиночной и узкой спектральной линией (т.е. с доминантной модой).

При идеальных условиях от таких лазеров можно ожидать ширины полосы

на уровне половинной мощности (FWHM) порядка 0, 2 нм (порядка 25 ГГц).

Если DFB-структура для улучшения ширины линии, генерируемой лазером,

комбинируется со структурой MQW (cтруктура со множественными квантовыми ямами), то ширина линии может быть уменьшена до сотен кГц.

Если же ширина линии становится больше, возрастает хроматическая дисперсия (см. гл. 6). Это в высшей степени нежелательно для систем со скоростями передачи выше 1 Гбит/с. DFB-лазеры имеют самую узкую спектральную линию излучения среди всех известных типов лазеров на рынке. Они практически всегда используются в системах, работающих с длинными и сверхдлинными пролетами секций. DFB-лазер — очень дорогое устройство, хотя и жизненно важное для ВОСП. Чтобы быть уверенным в оптимальной работе DFB-лазера и мониторить его, можно добавить несколько компонентов при его сборке.

Например, фотодиод (PIN-диодный приемник) для мониторинга его

выхода; термоэлектрический охладитель (ТЕС), который управляет температурой интегральной схемы лазера; схему обратной связи, управляющую

его выходом и поддерживающую желаемую частоту. Идеальная температура

ИС лазера равна 25°С.

Схема DFB-лазера представлена на рис.4.

Рис.4. Схема DFB-лазера.

DFB-лазеры с внешним модулятором

До сих пор мы изучали, или, по крайней мере, упоминали, оптические

источники с непосредственной модуляцией, так называемой модуляцией интенсивности. Принципиально, все, что мы делаем - это включаем и выключаем лазер, где включение соответствует двоичной 1, а выключение двоичному 0. Фактически же лазер никогда не выключается полностью. Эквивалент такого выключения - это точка на рабочей характеристики лазера, чуть выше порога (т.е. при очень малой выходной мощности) или чуть ниже порога. Установка такого порога важна для уменьшения «чирпа» (линейной частотной модуляции - ЛЧМ), который будет рассмотрен ниже.

Другой подход в формировании двоичных 1 и 0 - это использовать

оптический модулятор. Концепции использования непосредственной модуляции и оптического (внешнего) модулятора представлены на рис.5.

Заметьте, что оптический модулятор расположен между лазерным источником несущей волны (CW) и выходным интерфейсом волокна. Источник CW -это источник света, который всегда включен, т.е. находится в рабочем состоянии с определенным заданным уровнем мощности на выходе.

Рис.5. Иллюстрации концепций лазерного (DFB) передатчика с непосредственной модуляцией (а) и того же лазера, использующего внешний модулятор (б).

Оптические модуляторы являются интегральными устройствами, спроектированными для управления уровнем непрерывной оптической мощности, передаваемой оптическому волноводу. Они работают как затворы; затвор закрыт для двоичного 0 и открыт для двоичной 1. Обычно выделяют три типа

модулятора:

1 - Маха-Цендера (M-Z);

2 - c использованием электрической рефракции;

3 - c использованием электрической абсорбции (полупроводниковые) MQW.

Модулятор Маха-Цендера (М—Z) представляет собой интерферометр, использующий волноводы на основе ниобата лития LiNbO3 или конфигурацию направленного разветвителя. Волноводы M-Z-модулятора имеют кон-

фигурацию Y-разветвителя. Коэффициент преломления такого материала как

LiNbO3 может изменяться под действием приложенного внешнего напряжения. В отсутствие внешнего напряжения, оптическое/электромагнитное поле в двух рукавах М—Z-модулятора (на выходе модулятора) имеет одинаковый сдвиг фаз и интерференция синфазна. Дополнительный фазовый сдвиг, вносимый в одном из рукавов за счет изменения коэффициента преломления, вызванного приложенным напряжением, нарушает эту синфазность интерференционной картины и уменьшает мощность сигнала передатчика на выходе. В частности, наблюдается полное отсутствие света на выходе, если вносимый фазовый сдвиг между двумя рукавами будет равен р, учитывая противофазный характер интерференции. В результате такого механизма действия, электрический поток бит, поданный на модулятор, создаст оптическую копию потока бит на выходе.

Характеристики внешнего модулятора численно описываются так называемым коэффициентом ослабления сигнала (ER) — отношением уровней сигнала при включенном и выключенном состояниях и модуляционной шириной полосы. Модуляторы на основе ниобата лития обеспечивают ER порядка 20 (13) дБ и могут осуществлять модуляцию потока со скоростями до 75 Гбит/с. Модуляторы изготавливаются из электрооптических полимеров. На них достигнута модуляция потоков с предельной скоростью порядка 60

Гбит/с. Такие модуляторы часто интегрируются с электронными схемами привода (драйверами) модулятора.

Другой тип модулятора изготавливается на основе полупроводников. К

ним относятся модуляторы, использующие электроабсорбцию. Эта технология использует эффект Франца-Келдыша, в соответствии с которым ширина запретной зоны полупроводника уменьшается, если к нему прикладывается поперечное электрическое поле. В этом случае прозрачный полупроводниковый слой начинает абсорбировать (поглощать) свет, когда ширина его запретной зоны уменьшается под действием приложенного внешнего напряжения. Это происходит в тот момент, когда энергия фотона превысит энергетический барьер запрещенной зоны. Учитывая, что эффект электроабсорбции проявляется сильнее в MQW-структурах, они и выбираются для использования в таких модуляторах. Для них коэффициент ослабления сигнала ER составляет 15 дБ и выше при напряжении смещения порядка 2 В, а реализуемая при этом скорость передачи достигает нескольких Гбит/с. Так, при скорости 5 Гбит/с была достигнута передача с низким уровнем «чирпа». Этот тип модуляторов используется в ВОСП при скоростях передачи порядка 20 Гбит/с, а в некоторых экспериментах были продемонстрированы скорости до 60 Гбит/с. Повторяем, что основная цель использования модулятора состоит в уменьшении уширения импульса, вызванного чирпом. Многие из этих модуляторов интегрированы с ИС того же передатчика, которым они управляют.