Беруші және қабылдаушы оптикалық модульдер

Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

3 БЕРУШІ ЖӘНЕ ҚАБЫЛДАУШЫ ОПТИКАЛЫҚ МОДУЛЬДЕР

Беруші оптикалық модуль. ТОБЖ оптикалық беру қондырғылары мен қабылдағыштары модульдер түрінде жасалады. Модуль құрамына оптикалық сәуле шығару көздері мен қабылдағыштары, электр сигналдарын өңдейтін электрондық сұлбалар кіреді.

Оптикалық сәуле шығару көздеріне мынадай талаптар қойылады: сәуле толқындарының ұзындығы оптикалық талшықтың спектральдық шығынының минимумдерінің біреуіне дәл келуі тиіс. Сәуле шығару көзінің конструкциясы сәуле шығарудың айтарлықтай жоғары қуаты және сәуленің оптикалық талшыққа енуінің тиімділігін қамтамасыз етуі тиіс; сәуле шығару көзі енімді болып, қызмет ету мерзімі ұзақ болуы тиіс; габариттік өлшемдері, салмағы, тұтынатын қуаты мүмкіндігінше минималды шамада болуы тиіс, дайындау технологиясы оның құнының аса жоғары болмауын және сипаттамасының жоғары дәрежеде қайта қалпына келуін қамтамасыз ететін болуы тиіс.

ТОБЖ үшін оптикалық сәуле шығары көздерінің планарлық жартылай өткізгіш, талшықтық және көлемдік микрооптикалық (микролазерлер) сияқты үш класы болатыны белгілі. Бұлардың үшеуі де белгілі бір дәрежеде жоғарыда келтірілген талаптарды қанағаттандырады. Бірақ тек планарлық жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздеріне жататын жарық шығарушы (СИД) және лазерлік диодтар (ЛД) реалдық сұлбада кеңінен қолданылады. Олар оптикалық талшықтың минималды шығынымен сипатталатын және оптикалық талшыққа жеткілікті болатындай үлкен (0, 8 $\div$ 2 Вт) енгізуге мүмкін болатын 0, 8 $\div$ 1, 6 мкм толқын ұзындықтары диапазонында жұмыс істейді.

СИД - те тура өтулі жартылай өткізгіштік материалдағы $p - n$ өту аймағына оң ығысу берілген жағдайда спонтандық эмиссияның пайда болу есебінен сәуле шығарылады. Кез келген электрон бір энергетикалық деңгейге өткенде спонтандық оптикалық сәуле пайда болады. $f$ - сәуле шығару жиілігі энергетикалық деңгейлер айырмашылығымен ( $Eq$ ), яғни тыйым салынған энергетикалық зона кеңдігімен анықталады:

$f = c/\lambda = Eq/h$

мұндағы h - Планк тұрақтылығы;

с - вакуумдегі жарық жылдамдығы.

Барлық электрондардың бір энергетикалық деңгейден екіншісіне өту уақыттары бір-біріне дәл келмейтін болғандықтан, сәулелердің бір-біріне үстемеленуі (наложения) орын алады және амплитудалары мен фазаларының бірдей еместігі пайда болады. Осы себептен сәуленің жиілік бойынша біртекті еместігі орын алады.

Сонымен қатар, $Eq$ энергияның өте әлсіз тербелісі де сәуленің жиіліктік бойынша шашыранды болуына ықпал етеді. Бұл функциялар сәуле шығару спектірінің белгілі бір кеңдігіне ие болуына апарып соғады (3. 1 сурет) . Мағынасы сәуле шығару көзінің монохроматикалық қасиетін сипаттайтын параметр ретінде пайдаланылады. Спонтандық сәуле шығару төменгі монохроматикалық когеренттік емес сәуле шығаруға ие болады.

Сурет 3. 1 - СИД сәуле шығару спектрі

Сурет 3. 2 - Беттік (1) және мүйістік сәуле шығарушы СИД үшін сәуле шығару қуатының инжекция тогына тәуелділігі

Сәуле шығару спектрінің кеңдігімен қоса, сәуле шығару көзінің негізгі сипаттамаларының қатарына ватт-амперлік сипаттамасы, модуляциялау жиілігінің макксималдық мағынасы, қызмет ету мерзімі және сенімділігі жатады.

Сәуле шығару қуатының инжекциясы тогына тәуелділігі 3. 2 - суретте көрсетілген. Бұл сипаттамалардың ерекшелігі - тәуелділіктің іс жүзінде сызықтылығы $P = f(Iu)$ . Мұның өзі оптикалық сәуле шығаруды модуляциялау үшін берудің аналогтық жүйесін пайдалануға мүмкіндік береді.

3. 3 суретте СИД сәуле шығаруының спектральдық таралуы көрсетілген. Әдетте, беттік сәуле шығарушы СИД үшін сәуле шығару сызығы шамамен $\ \lambda = 0, 85$ мкм болғанда енділігі 0, 04 мкм - ге дейінгі гаусстық формада, ал мүйістік (торценого) сәуле шығарушы үшін $\lambda = 1, 3$ мкм болғанда енділігі $\mathrm{\Delta}\lambda \leq 0, 09$ мкм -ге дейінгі гаусстық формаға ие болады.

Модуляциялаудың максимал жиілігі

$f_{\max} = 1/\left( 2\pi\tau_{u}\eta_{вн} \right)$

Мұндағы $\eta_{вн}$ - жартылай өткізгіш материалының ішкі кванттық тиімділігі;

$\tau_{u}\$ - сәуле шығарушылық өтуден туындайтын негізгі тасымалдаушы еместердің өмір сүру уақыты.

Мүмкіндігінше сәуле шығару уақытын $\tau_{u}$ азайту керек. Сонда модуляциялаудың төменгі жиіліктерінде де, жоғары жиілік шекарасында да $\eta_{вн}$ мағынасы артады. $\eta_{вн}$ мәнін қоспалау (легирование) дәрежесін және инжекция деңгейін жоғарылату арқылы да арттыруға болады. Мысалы, мүйістік типтегі СИД-те кванттық тиімділігін төмендетпестен, беттік сәуле шығару типтегі СИД-пен салыстырғанда 4 есе артық модуляциялау жолағын (100 МГц) алуға болады.

Сурет 3. 3 - а - $\lambda = 0, 85$ болғандағы беттегі сәуле шығару; ә - мүйістік сәуле шығару кезіндегі СИД сәуле шығаруының спектральдық таралуы, $\lambda = 1, 3$ мкм

Сурет 3. 4 - Әр түрлі температурадағы ПЛ сәуле шығару тогына тәуелділік графигі (ВАС)

СИД - тің барлық параметрлеріне ұзақ пайдалану нәтижесінде сәуле шығару қуатының біртіндеп азаю қасиеті тән. Тәжірибе арқылы жұмыс істей бастағаннан кейінгі біршама уақыттан соң қуат әдеттегідей экспоненциалдық заң бойынша төмендейтіні дәлелденген:

$P(t) = P(O) e^{- t/tcл}$

Мұндағы $tсл = A{J_{u}}^{m}e^{tсл(КТ) }$ - СИД -тің қызмет ету (деградациялық) мерзімі.

А және m шамалары - тұрақты шамалар, олар СИД материалдарымен және құрылымымен анықталады. Әдетте $m = 1 \div 2$ болады да, токтың артуына байланысты арта түседі;

$e_{сл}$ - активациялық энергиясы температура $10 \div 20℃$ - қа артқанда қызмет ету мерзімін $t_{сл}$ екі есесге төмендетеді. ТОБЖ-да пайдалану үшін СИД қызмет ету мерзімі жер бетіндегі кабельдер үшін - $10^{5}$ сағат, су асты кабельдері үшін $10^{6}$ сағат болуы тиіс.

Жартылай өткізгіштік лазерлік диодтар когеренттік жарық көзі болып табылады. Олардың жұмысы жартылай өткізгіштің көлемдік резонатормен қамтылған спонтандық сәуле шығаруына негізделген. Ток тығыхдығын төмендетуге және басқа да сипаттамаларын жақсартуға бір жақты (ОГС) және екі жақты (ДТС) шектеулер қолданылатыны көп қабатты жартылай өткізгіштер гетероқұрылымдарды пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Оларда $I_{n}$ шамасын $1 \div 2А/{см}^{2}$ -ге дейін төмендетуге мүмкіндік болады.

Егер кең контактілі ОГС немесе ДГС қолданылатын лаезрлік диодтың (ЛД) инжекция тогын барлық бет бойынша арттырса, онда алдымен $1 \div 2$ мкм кеңдігі бар шағын ауданда генерация пайда болады. Токтың артуына байланысты ондай «жанатын» аймақтар көбейіп, олардың әрқайсысы өз бетінше генерацияланатын аймаққа айналатын сияқты болады. Мұның өзі шуылдың және шығынның артуына апарып соғады, сәуле шығарудың тұрақсыздығы пайда болады.

Іс жүзінде бір генерациялау каналының болғаны дұрыс. Оған активті аймақты резонатор бойында тар жолақпен шектеу арқылы қол жеткізуге болады. Мұндай ЛД-ларды жолақтық геометриялы лазерлер деп атайды. Оларда $I_{n}$ - ны 500 $\ мА/{см}^{2}$ шамасына дейін азайтуға болады және сәуле шығарушы аймақтың ауданын оптикалық талшыққа тиімді түрде сәуле енгізуге болатындай шамада жасауға болады. Сонда NA апертуралар саны азайып, сәуле шығару тұрақтылығы артады.

Лазерлік диодтардың байланыс жүйесінде және ақпарат беруде пайдалану мүмкіндігін анықтайтын негізгі сипаттамаларына мыналар жатады: сәуле шығару қуаты және оның инжекция тогына тәуелділігі, сәуле шығаруға бағытталуының диаграммасы, сәуле шығару спектрі және қызмет ету мерзімі.

Инжекция тогының аз шамасында спонтандық сәуле шығару рекомбинациясы орын алып, спонтандық сәуле шығару байқалады. Құрылымдағы шығын күшейтумен салыстырылатындай дәрәжеге жеткенде лазерлік құбылыс орын алады да, қоздырырылатын оптикалық қуат күрт артады, мәжбүрлік сәуле шығару әрекеті байқалады. 3. 4 - суреттен көретініміздей, ватт-амперлік сипаттама айтарлықтай сызықтық емес. Сондықтан

ватт-амперлік сипаттаманы сызықтық түрге келтірілген арнайы шара қолданбастан, лазредің инжекциялау тогын аналогтық сигналды өзгерту көмегімен шығыстық сәуле шығаруды модуляциялау іс жүзінде пйдаланылмайды.

Әдетте, лазердің инжекция тогын, оған сәйкес шығытыө оптикалық қуатты импульстік әдістермен модуляциялайды. Тек лазерлік диодтарға тән мынадай қасиетті атап өткен жөн: қоршаған орта температурасы өзгергенде ЛД ватт-амперлік сипаттамасында ығысу орын алады. Бұл құбылыс табалдырықтық токтың және шығыс қуатының өзгеруіне апарып соғады. Бұл кемшілікті жою үшін толықтыру (компенсация) сұлбалары, сондай-ақ микротоңазытқыштар жұмысын басқаратын термокомпенсация сұлбалары пайдаланылады. ЛД бар сақиан ішіне - лазер, модулятор, кері байланыс фотодиодтары, лазер жұмысын тұрақтандыратын электрон сұлбасы орналасады. ПОМ жасау кезінде шешілуге тиісті басты мәселе - жартылай өткізілетін лазерлердің шығыстық қуатын тұрақтандыру қажет.

Оптикалық беру модулі. Сәуле шығару көзі келесі талаптарды қанағаттандыруы қажет:

Сәулелену толқын ұзындығы бір мөлдірлік терезеге сәйкес келуі керек;
Сәуле шығару көзінің құрылымы шығу көзінің үлкен қуатын және оны оптикалық талшыққа эффективті енгізуді қамтамасыз ету қажет;
Шығу көзінің сенімділігі жоғару және қызмет ету мерзімі үлкен болу қажет;
Өлшемі, салмағы және қолданатын қуаты минималды болуы керек;
Технология қарапайымдылығы жоғарғы өнімділікті беру керек.

Оптикалық беру модулі (ОБҚ) ретінде ЖАД жарық өткізгіш диод (СИД) және лазерлі диод (ЛД) қолданылады. Оларды сәуленің спектрлік ені бойынша ажыратады.

Жарық өткізгіш диод (СИД) . Оптикалық беру қондырғысының жұмыс істеу принципі активті қабаттағы заряд тасымалдаушыларының рекомбинация құбылысына негізделген.

Рекомбинация - бұл қарама-қарсы иондардың қозғалу құбылысы, яғни қарама-қарсы заряд тасымалдаушыларының бір-біріне қақтығысында бас тасымалдаушылардың жоғалуы.

Сурет 3. 5 - Оптикалық беру қондырғысының құрылымы

Электронда саңылаулы өткелге тура араласты орнатса, онда электрондар саңылау ақылы пассивті қабаттан активті қабатқа ауысып, жарық сәулесімен бірге спонтандық рекомбинацияны құрайды. Жарық барлық бағыт бойынша таралады. Сондақтан СИД шығысындағы сәулелену (излучение) когертентті емес және әлсіз бағытталған болады. Сәулелену спектрінің ені болады.

Лазерлі диод ЛД когерентті жарық өткізгіш болып табылады. Активті орта ретінде жартылай өткізгіш қоданылады. Тығыздау қондырғысы ретінде электр энергиясы қоданылады. Ал резонансты жүйе ретінде айна қолданылады.

Жартылай өткізгішке енгізілген кернеу әсерінен өткізгіште тасымалдаушылардың өзіндік қозғышы пайда болады. Соның салдарынан жарық энергиясының пайда болу әсері мен фотон ағындары пайда болады. Бұл ағын резонансты жүйе айнасынан бірнеше рет шағылысып, тура бағытталған диаграммалы лазерлік сәулені құрайды.

Сурет 3. 6 - ЛД құрамы.

Кесте 3- ЛД және СИД салыстырмалы кестесі

Шағылу көзі

Қуат

Спектр ені

Қызме ету мерзімі

Шағылу көзі: ЛД

Қуат: (10-10) мВт

Спектр ені: (1-3) нм

Қызме ету мерзімі: 10 ⁴ -10 ⁵

Шағылу көзі: СИД

Қуат: (5-20) мВт

Спектр ені: (30-50) нм

Қызме ету мерзімі: 10 ⁵ -10 ⁶

Спектральды сипаттамасы және бағыт диаграммасы 3. 7-суретте көрсетілген.

Сурет 3. 7 - СИД және ЛД сипаттамалары

Бағыт диаграммасы - сәуленің шығу көзінің энергетикалық тығыздығындағы жарықтың таралу бұрышы. Жарықтық сәуле шоғырының аралығында тұрақты болмайды. Ол шоғыр осіне тұрақты және ось пен өсу бұрышын құрайтын бағыт бойымен нақты бір заң бойынша кеміп отырады.

Егер шығу көзінің бет өлшемі оптикалық талшықтың өзекше диаметрінен үлкен болса, онда шағылу қуатының бір бөлігі оптикалық талшық бойына таралмайды, қоршаған ортаға таралып кетеді. СИД енудегі жоғалу (10-16) дБ құрайды, ал ЛД ену (5-7) дБ құрайды.

СИД артықшылықтары: қарапайым, арзан, ұзақ мерзімге шыдамды, параметрлері қоршаған орта температурасына шыдамды. Бірақ шоғырдың (пучка) көптігі, сәулеленудің когерентті еместігі, сәлелену спектрінің кеңдігі, шектелген шапшағдығы қолдану аймағын тарылтады. Олар аз және орташа арақашықтықты байланыс желісінде қолданылады.

Оптикалық беру қондырғысының элементтері ОБМ (ПОМ) оптикалық беру модулінің қондырғысында жиналады.

Қабылдаушы оптикалық модульдер. Қабылдаушы оптикалық модульдің (ПрОМ) негізгі бөлігі - фотодетектор қызметін атқаратын фотодиод болып табылады. ТОБЖ фотодетекторының қызметі - кірістегі оптикалық сигналды электрлік сигналға қайта түрлендіру. Қайта өзгертілген сигнал фотоқабылдағыштың элекрондық сұлбасында өңделеді. Фотодетектор оптикалық сигнал пішінін оған ешқандай қосымша шуыл енгізбей, қайта қалпына келтіруі тиіс, яғни талапқа сай келетін кең жолақтылығы, динамикалық диапазон сезгіштігі, аса үлкен емес, бірақ талшыққа сенімді түрде қосуға орта параметрлерінің өзгеруіне тәуелсіз, сондай-ақ қызмет ету мерзімі ұзақ және бағасы төмен болуы тиіс. Жартылай өткізгіштік фотодиодтар, айтылған талаптарға толығырақ сәйкес келеді.

Жартылай өткізгіштік фотодиодтың жұмысы ішкі фотоэффект құбылысына негізделген. Жұтылған фотон жаңа екі заряд тасымалдағышты - электронды және саңылауды туғызады. Басқаша айтқанда, атомда жұтылған фотон электронды қоздырып, оны валенттік зонаға немесе қоспалық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстырады. Мұндай өтулер жартылай өткізгіштік электрлік сипаттамасын өзгертіп, элетрлік сигналдардың құрылуына жағдай жасайды.

Сурет 3. 8 - Оптикалық сәулелену дисперсиясы

Жартылай өткізгіштің жоғары тезәрекеттілігі және өзіне түсетін сәулені тиімді жұтушылығы қоспалық жұтушылық құбылысымен байланысты, сол себепті қазіргі кезде ТОБЖ-ға арналған фотодетекторлар қоспалық жұтушы жартылай өткізгіштер негізінде жасалады.

энергиялы жарық квантын жұту қорытындысында диодтың сыртқы тізбегінде ток импульсі жүретін болады. Егер әрбір жұтылған квант электрон саңылау жұбын туғызатын болса және заряд тасымалдаушылар p-n өту қабілетін өтетін болса, онда оптикалық сәле шығару қуатының ( ) энергия квантына ( ) қатынасының тасымалдаушы зарядының (q) шамасына көбейтіндісімен анықталатын тасымалдаушылар саны - жүк арқылы өтетін орташа токты анықтайды:

Әдетте, жұтылатын барлық жарық кванттары ток импульстерінің пайда болуына себеп бола бермейді. Сондықтан фотондардық электр тогына өзгеру тиімділігін сипаттайтын коэффициентін ескеру қажет. Бұл коэффициент фотодетектордың кванттық тиімділік коэффициенті деп аталады.

Сонымен, жалпы жағдайда жүк арқылы өтетін орташа ток мына қатынаспен анықталады.

Электрондық-саңылаулық жұп жасалу үшін жұтылатын кванттың энергиясы электронды валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауыстыра алатын шамада болуы тиіс, яғни шарты орындалуы тиіс.

Германийден жасалатын фотодиод - 1, 8 мкм, кремнийден жасалған фотодиод - 1, 2 мкм, галий арсенидінен жасалған фотодиод - 0, 87 мкм ұзындықтағы толқындарда жұмыс істейді.

Кванттық тиімділігімен қатар, фотодиодтардың негізі сипаттамаларына уақыт тұрақтылығы және сезгіштілігі жатады.

Фотоқабылдағыштың уақыт тұрақтылығы оның тез әрекеттілігін сипаттайды және мынадай көптеген параметрлерге тәуелді болады: заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығына, жұтаң зоналардың еніне (кеңдігіне), жарық толқындарының ұзындығына, сондай-ақ заряд тасымалдаушылар электр өрісінің әсерімен қозғала ма немесе диффузия әсерімен қозғала ма - соған да тәуелді болады. Фотоқабылдағыштың уақыт тұрақтылығын білу арқылы фотодетектордың өткізу алабының кеңдігін анықтауға болады: . Бұдан аз болған сайын өткізу алабының кеңейе түсетінін көреміз.

Фотодиодтың уақыт тұрақтылығы диффузия уақытына және жұтаң зонаның өту уақытна тәуелді болады. Сондықтан р-қабатының және р-n өту қабатының қалыңдықтары маңызды параметрлер болып табылады. Жалпы бағыт бойынша n және р аймақтар қалыңдығын арттыруға ұмтылады. Бұл мақсат орындалғанда кванттық тиімділік те артады.

Қалың жұтаң қабат әр түрлі әдістермен жасалады. Көбінесе р немесе n аймақтары арнайы қоспаланған (легированный) і-қабаты арқылы қалыңдатылады немесе і-қабаты орнына жартылай өткізгіштің өзінің қабаты пайдаланылады.

Фотоқабылдағыштың сезгіштігі жарық қуатын электр тогына айналдырудың толық пайдалы әсер коэффициенті болып табылады (фототоктың орташа мағынасының оптикалық қуаттың орташа мағынасына қатынасы) :