dfb laser что это

Dfb laser что это

Растущая потребность расширения полосы вещания и увеличения надежности оборудования сетей кабельного телевидения (КТВ), предназначенных зачастую для обеспечения нескольких видов услуг, обусловила мощную тенденцию к росту доли пассивных оптических сетей и сокращению коаксиальных каскадов с РЧ усилителями. Наступающая эра внедрения архитектуры распределительного (дистрибутивного) оптического участка предполагает массовое применение DFB передатчиков, особенно в тех сетях, где планируется доводить одно оптоволокно до узлов, обслуживающих 200-500 абонентов. По мере роста числа оптических приемников и уменьшения количества абонентов в пересчете на один узел затраты на оптоэлектронную часть сети существенно возрастают. Изменение принципа построения сетей диктует необходимость четко определить, какие параметры cможет обеспечить применяемое оборудование оптических линий передачи.

Процесс выбора передатчиков опирается на два основных критерия: цена и качество (т.е. параметры). При оценке аналоговых DFB передатчиков можно применять многомерную методику классификации, основой которой является понимание особенностей технологии и знание физических ограничений (например, наличие свободного места на головной станции или предполагаемые вариации температуры окружающей среды). Техническую часть процесса выбора можно было бы упростить, сравнивая разные передатчики при помощи какой-либо общей меры. Однако, так сложилось, что параметры, указываемые различными производителями, сильно отличаются по своему содержанию и смыслу, что делает задачу сравнения технического качества весьма трудной.

Основные требования

По мере увеличения количества передатчиков на головной станции (ГС), особенно в случае применения схем целевого вещания на группы абонентов (narrowcasting) с помощью одного передатчика на каждый узел, проблемой становится найти свободное место в помещении ГС. Поэтому передатчик должен быть компактным и иметь гибкую перестраиваемую конфигурацию.

Рис. 1. Влияние эффекта паразитной модуляции (chirp)

При переносе на оптическую несущую мультиплексированных по частоте сигналов AM-VSB должны соблюдаться требования по параметрам искажений и коэффициента сигнал/шум. Эти параметры, в свою очередь, обеспечиваются при соблюдении требований по линейности зависимости излучаемого света от тока лазера, по равномерности АЧХ, по шуму RIN (relative intesity noise), по уровню паразитной модуляции (chirp), которая приводит к интерференционному шуму IIN.

Наиболее важными параметрами, на которые оказывают влияние вышеуказанные эффекты, являются: отношение сигнала несущей к шуму (CNR) и параметры искажений второго (CSO), третьего (CTB) порядков. Эти определяющие по своей сути параметры должны быть постоянными при вариациях температуры в помещении ГС в диапазоне от 0° до 50°С. Кроме того, в передатчике должен быть удобный интерфейс для работы обслуживающего персонала.

В данной статье на примере передатчиков серии PWRLink производства фирмы Harmonic Lightwaves изучаются различные параметры DFB лазеров и их влияние на свойства всего оптического участка. Показано также, как большое значение индекса модуляции — параметра, которым часто пренебрегают, — дает возможность минимизировать эффекты паразитной модуляции, увеличить надежность лазеров и улучшить коэффициент CNR.

Лазеры с распределенной обратной связью (DFB)

Рис. 2. Зависимость CNR от индекса модуляции

Чтобы выполнить упомянутые выше требования к системе, необходимо, чтобы источник непосредственно модулированного излучения работал исключительно по схеме с распределенной обратной связью. Обыкновенные полупроводниковые лазеры — например, типа Фабри-Перо — оснащаются оптическим резонатором с полированными торцами, необходимыми для реализации обратной связи при формировании пучка излучения. Технология DFB лазеров опирается на градиентное периодическое изменение коэффициента преломления тела оптического резонатора, обеспечивающее необходимую обратную связь, теперь уже распределенного типа.

Наиболее часто встречающиеся DFB лазеры для применений в сетях КТВ излучают на одной длине волны, расположенной в диапазоне 1290-1330 нм. С другой стороны, лазеры типа Фабри-Перо характеризуются одновременным излучением на нескольких несущих. При работе на одной несущей сводятся к минимуму эффекты дисперсии, возникающие при прохождении света через оптическое волокно, а также уменьшается шум RIN, что необходимо для достижения высокого показателя CNR. C целью минимизации RIN эти лазеры обычно дополнительно оснащаются т.н. внутренними оптическими изоляторами.

Первоначально DFB лазеры имели очень узкую сферу применения, поскольку они характеризовались малым выходным уровнем и неадекватными параметрами искажений. Кроме проблем, связанных с увеличением оптической энергии на выходе, линейностью лазера и шумами, на качество оптического участка влияют и другие факторы. Наиболее важным является нежелательное взаимодействие между лазерным передатчиком и отраженным от оптоволокна излучением, что может резко ухудшить параметры по шумам и искажениям.

Аналоговые лазерные DFB передатчики используются в режиме непосредственной модуляции, что означает, что информация AM-VSB непосредственно переносится на ток лазера. В результате возникает паразитная модуляция (chirp) или временные изменения длины волны излучения. Паразитная модуляция, в свою очередь, влияет на качество передачи по оптическому участку — параметры отношения сигнал/шум и искажений второго/третьего порядков.

Параметры оптического участка

В системе AM-VSB коэффициент CNR вычисляется по формуле:

Очень важно добиться высокого значения CNR при малых искажениях. Для этого числитель в уравнении (1) должен быть максимальным, а знаменатель — минимальным. В числителе желательно, чтобы как индекс модуляции, так и принимаемая оптическая мощность были по возможности максимальными. Ограничение оптической мощности связано с дифференциальной квантовой эффективностью лазера и оптимальным значением постоянной составляющей тока лазера, обеспечивающим участок линейного режима.

Рис. 3. Блок-схема DFB передатчика серии PWRLink. В лазере применяется схема предыскажений

Индекс модуляции ограничен размером участка характеристики, на котором обеспечивается линейность. Для 80 каналов допустимое значение индекса модуляции приблизительно составляет 4% на канал. Однако для лазеров, не оснащенных схемой предыскажений, допустимый уровень модуляции не превышает 3,5%, поскольку обусловлен нелинейностью лазерного диода, а не ограниченностью участка линейности характеристики.

Тепловой шум в знаменателе определяет нижний предел CNR при малых уровнях энергии. Составляющая дробового шума пропорциональна принимаемой оптической мощности и влияет на CNR в случае высокого уровня оптического сигнала на входе приемника. Заметим, что при высоком уровне входного сигнала (что обычно весьма желательно), уровень шума определяется вкладом RIN и IIN. Номинальное значение параметра RIN составляет — 155 дБ/Гц вплоть до частоты 860 МГц и пренебрежимо при частотах менее 550 МГц. Эффекты IIN будут рассмотрены ниже вместе с паразитной модуляцией (chirp).

Поскольку величина как числителя, так и знаменателя зависит от принимаемой мощности, то простое увеличение выходной мощности необязательно приводит к повышению CNR. При детальном анализе уравнения (1) получается, что повышение CNR возможно путем увеличения индекса модуляции, что сопровождается ростом уровня несущей и минимизацией эффектов IIN. Такое увеличение вполне возможно, благодаря применению цепей предыскажений и контролю над уровнем искажений второго и третьего порядка.

Рис. 4. Параметры оптической мощности и индекса модуляции, измеренные для 150 передатчиков. Средняя энергия равна 12 мВт (10,8 дБм) и индекс модуляции — 4%

Паразитная модуляция (chirp) лазера

Из-за естественных для волокна нерегулярностей возникают множественные отражения (как результат обратного рассеивания Релея). Взаимодействие отраженного света и эффекта паразитной модуляции приводит к росту интерферометрического шума (IIN), который, в свою очередь, снижает параметр CNR, величина которого зависит от уровня паразитной модуляции и длины волокна. Это объясняет улучшение параметра CNR в случае, если потери на трассе обусловлены не только оптическим волокном, но и делителями оптической мощности, по сравнению с чисто волоконной линией.

Пример ухудшения CNR, обусловленного паразитной модуляцией, показан на рис.1. Три графика отображают величину CNR для различных вариантов построения оптического участка: А — оптическое звено состоит из делителя, В — из оптоволокна, С — частично потери существуют в волокне и 5 дБ в делителе. Как видим, минимальные эффекты паразитной модуляции наблюдаются в случае А, в то время как максимальное ухудшение — в случае В. Вариант С является промежуточным. По оценкам, для потерь на трассе 13 дБ различие между А и В составляет около 2 дБ. В примере предполагалось, что параметр паразитной модуляции находится в пределах 300-350 МГц/мА. Фактор улучшения CNR по мере увеличения доли ответвителей существенно влияет на проект системы. Весьма консервативное правило гласит, что на каждый децибел потерь на ответвление можно добавлять 0,1 дБ улучшения отношения сигнал/шум (например, возвращаясь к рис.1, можно констатировать, что при переходе от кривой В к С CNR увеличится на 0,5 дБ). В свете всего вышесказанного при составлении проекта очень важно учитывать наиболее низкие параметры лазерного передатчика для случая потерь на трассе, состоящей исключительно из оптоволокна.

Предыскажения и индекс модуляции

Рис. 5. Температура (°С). Параметр CSO при наличии термокомпенсации и без нее

Согласно уравнению (1), уровень РЧ несущей и величина параметра CNR на выходе оптического узла зависят как от мощности принятого оптического сигнала, так и от индекса модуляции. Так сложилось, что в спецификациях DFB оборудования приводятся данные лишь о выходной мощности передатчиков, а об индексе модуляции умалчивается. Как уже было показано выше, следует позаботиться о том, чтобы индекс модуляции был максимальным.

Поскольку реализовать схему предыскажений весьма непросто, то требование улучшения параметров оптического участка зачастую трактуется лишь в терминах повышения выходной мощности DFB передатчиков. Лазеры с высоким уровнем выходной мощности весьма сложны в производстве, и при всех равных условиях предпочтение следует отдавать лазерам с меньшим выходным уровнем и большим индексом модуляции. Причин тому несколько.

Во-первых, для того чтобы добиться высокой выходной мощности, на лазер следует подать большой ток. Такая повышенная нагрузка сокращает срок службы и понижает надежность лазера, а также приводит к росту шума RIN.

Во-вторых, при меньших уровнях мощности можно избежать попадания большой мощности на приемное устройство, которое обычно ограничено 2-3 дБм. Таким образом, простое сокращение потерь в волокне (или, эквивалентно, рост выходной мощности) и подача высокого уровня на вход приемника не приведут к увеличению CNR, даже если высокий уровень CNR очень важен для проекта. Например, лазеры с выходной мощностью 13 мВт (11 дБм) могут применяться на трассах с потерями не меньше 8-9 дБ, что ограничивает максимально достижимое значение CNR.

Третья причина проиллюстрирована на рис. 2, на котором для трассы с потерями 10 дБ (все потери — в оптоволокне) показана зависимость CNR от индекса модуляции и выходной мощности. Сравнительный анализ двух крайних точек показывает, что лазер с номиналом выходной мощности 15 мВт дает CNR 52 дБ, а передатчик на 10 мВт при индексе модуляции 4% обеспечивает параметр отношения сигнал/шум на 2 дБ выше при тех же потерях на трассе. Таким образом, увеличение индекса модуляции приводит к повышению уровня несущей и одновременно снижает IIN, что в совокупности обеспечивает повышение CNR.

Добиться высокого уровня индекса модуляции без внесения предыскажений очень трудно из-за присущих DFB лазерам нелинейностей. Даже в предположении идеальных характеристик линейности мощности излучения от тока лазерного диода и РЧ усилителей, искажения по-прежнему остаются из-за нелинейности вольт-амперной характеристики p-n перехода, а также из-за так называемых токов утечки.

В результате реализации схем предыскажений в DFB лазерах серии PWRLink получаются типичные значения параметров искажений CSO“-62 dBc и CTB“-67 dBc при 80 NTSC каналах. На рис. 3 показана схема DFB передатчика, в которой применяются скомпенсированные по температуре схемы предыскажений для контроля CTB и CSO. Детектор РЧ мощности применяется для реализации механизма АРУ, выбираемой по усмотрению пользователя.

Среднее значение индекса модуляции, измеренное в 150 передатчиках производства Harmonic Lightwaves, составляет 4,04% (СКП = 0,19%). Для трассы, состоящей полностью из оптоволокна и дающей 10 дБ затухания, наихудший CNR оказался равным 54,47 дБ (СКП = 0,39 дБ). По индексу модуляции на канал можно определить совокупный коэффициент глубины модуляции по формуле m x (N/2)0,5 = 0,259, что немного ниже уровня отсечки линейного участка характеристики лазера. Все эти измерения сведены на рис. 4 в виде гистограмм.

Неравномерность АЧХ, рабочая температура

Неравномерность АЧХ — это еще один важный параметр передатчиков, определяющий результирующие параметры оптического звена. Для того чтобы сделать возможным каскадирование передатчиков и хорошее качество сигнала, следует обеспечить постоянство АЧХ на уровне 0,5 дБ по всему рабочему диапазону (т.е. до 860 МГц). Другим ключевым параметром для обеспечения качества оптического звена является оценка стабильности CNR, CTB и CSO при изменениях температуры. Это очень важно, особенно, если в помещении, где установлены передатчики, температура существенно изменяется. На рис. 5 показана типичная зависимость CSO от температуры для некомпенсированных и скомпенсированных схем передатчиков. Видно, что при отсутствии термокомпенсации вариации CSO могут достигать 5 дБ.

Для повышения надежности системы и уменьшения времени на восстановление режима после отказа, очень существенно выполнение мониторинга всех важных для работы передатчика параметров и управление работой лазера при помощи компьютерной программы управления сетью. Среди параметров контроля могут быть следующие: постоянная составляющая тока лазера, мощность на выходе лазера, температура лазера, уровень РЧ энергии, температура окружающей среды. Существенно облегчает работу и обеспечивает заменяемость модулей реализация режимов предварительной установки диапазонов разрешенных значений параметров с отображением предупреждения в случае ошибочного ввода. Автоматическая регулировка уровня также может оказаться полезной, поскольку обеспечивается возможность быстрой замены модулей и минимизации влияния изменений уровня выходного сигнала с головной станции.

Заключение

Итак, мы обсудили важнейшие параметры, определяющие работу DFB лазеров. Было показано, что достижение баланса между линейностью, большим значением отношения сигнал/шум и низким уровнем паразитной модуляции возможно, главным образом, для лазеров, оснащенных схемой предыскажений, характеризуемых меньшим уровнем выходной мощности, но большим значением индекса модуляции.

Более конкретно можно сделать следующие выводы:

По мере увеличения количества передатчиков и ужесточения требований по отказоустойчивости систем особенно важной становится реализация удобного интерфейса пользователя и системы управления сетью. Равномерность АЧХ, общая надежность оборудования и соответствие заявляемым параметрам — также являются важными требованиями к оборудованию распределительных оптических участков на 1310 нм. Все это следует принимать во внимание при сравнительной оценке DFB лазеров с точки зрения их способности обеспечивать передачу сигналов широкополосных услуг (ТВ каналы, данные, телефония).

Источник

Одночастотные лазеры: ECL, DFB, DBR и VHG конфигурации

Лазеры с внешним резонатором

Конфигурация лазера с внешним резонатором (ECL ) является универсальной, поскольку совместима практически со всеми стандартными диодными лазерами, вывод излучения которых осуществляется без использования оптического волокна. Таким образом, лазер с внешним резонатором можно применять на разных длинах волн в зависимости от внутреннего элемента усиления лазерного диода. Линза коллимирует выход диода, затем излучение падает на решётку (см. рисунок 1). Оптическая обратная связь, обеспечиваемая решёткой, используется также и для выбора стабилизированной выходной длины волны. Если оптическая конструкция верная, то с помощью внешнего резонатора можно создать единственную продольную моду, и тем самым обеспечить одночастотный вывод лазера с высоким показателем подавления боковой моды (SMSR более 45 дБ).

Лазер с распределенной обратной связью

В лазере с распределенной обратной связью (DFB) (используется в ближней и средней ИК-области) пропускающая дифракционная решетка установлена внутри самого лазерного диода (см. рис.2). Гофрированная периодическая структура, расположенная в непосредственной близости к активной среде, работает как отражатель Брэгга. Обратная связь, создаваемая периодической решеткой, является селективной, таким образом в лазере обеспечивается режим одномодовой генерации.

Если активная область имеет достаточный коэффициент усиления вблизи брэгговских частот, отражатель на заднем конце среды не требуется; для всей оптической обратной связи и выбора моды его замещает отражатель Брэгга. Благодаря этому «встроенному» алгоритму выбора лазер с распределенной обратной связью может генерировать одночастотное излучение в широком диапазоне температур при разных токах. Для облегчения выбора режима и увеличения мощности, такие лазеры часто снабжены элементом внесения фазового сдвига внутри диода.

Однако и в этом диапазоне лазер может работать на одной частоте. Значит, что это непрерывный диапазон настройки без переходов между модами. Именно поэтому лазеры с распределенной обратной связью стали популярны в сфере телекоммуникаций. РОС лазеры используют в производстве датчиков. Из-за короткой длины резонатора, ширина линий обычно лежит в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц. Кроме того, близкое расположение решетки и активной среды приводит к снижению максимальной выходной мощности по сравнению с лазерами с распределенным Брэгговским отражателем и лазерами с внешним резонатором.

Лазеры с объемной голографической решеткой

В лазерах с объемной голографической решеткой также используется отражатель Брэгга, но в данном случае пропускающая решетка располагается перед выходным окном диода (см. Рис.3). Так как решетка не является частью конструкции диода, она может быть термически отделена от лазерного диода, что поможет стабилизировать длину волны излучения системы.

В лазерах с объемной голографической решеткой решетка расположена вне активной усиливающей среды.

Материалом для решетки зачастую служит стекло с периодически меняющемся показателем преломления. Только длина волны излучения, удовлетворяющая условию Брэгга, отражается обратно в оптический резонатор. Таким образом излучение стабилизируется. Стабилизированный лазер с объемной голографической решеткой может генерировать излучение с такой же длиной волны, как и РОС-лазер, но только при увеличении мощности. Длина волны излучения остается постоянной в широком диапазоне значений температур и токов.

Лазеры с распределенным Брэгговским отражателем

Так же, как и РОС-лазеры, лазеры с распределенным Брэгговским отражателем обладают гофрированной гетерограницей. Но в отличие от РОС-лазеров, где гетерограница расположена вдоль всей активной среды (в области усиления сигнала), в лазерах с распределенным Брэгговским отражателем такая решетка (их может быть несколько) расположены вне данной области (см. рис.4).
Лазер с распределенным Брэгговским отражателем содержит решетку вне активной среды.

Но несмотря на этот недостаток, упрощенные модели лазера с Брэгговским отражателем обладают рядом преимуществ над РОС-источниками, в частности большей мощностью, так как решетка расположена не непрерывно вдоль всей длины активной области. Как и РОС-лазеры, лазеры с Брэгговским отражателем обладают той же шириной спектральной линии.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

Источник

Лазеры с распределённой обратной связью (DFB-лазеры)

Перевод Андрея Швеца

Лазер с распределённой обратной связью, сокращённо РОС-лазер (англ. distributed feedback laser сокр., DFB-laser) – лазер, резонатор которого состоит из активной среды, включающей в себя периодическую структуру, вследствие чего в ней возникает брэгговское отражение.

Периодическая структура представляет собой распределённый отражатель в диапазоне длин волн лазерной генерации и, обычно, выполняется с равномерным фазовым сдвигом. Эта структура является по существу прямым объединением двух брэгговских решёток с оптическим усилением в них. Устройство имеет несколько осевых мод в резонаторе, но, как правило, это одна мода, которая имеет преимущество в условиях потерь. (это качество связано с вышеупомянутым фазовым сдвигом). Поэтому, часто легко достигается одночастотный процесс, несмотря на пространственный провал из-за стоячей волны в активной среде. Перестройка длины волны без модовых скачков может быть возможна в диапазоне нескольких нанометров, из-за широкого свободного спектрального диапазона. Однако, диапазон перестройки не может быть шире, чем в лазерах с распределённым брэгговским отражателем (РБО-лазеры; англ. distributed Bragg reflector laser сокр., DBR-laser).

Большинство лазеров с распеределённой обратной связью – это либо волоконные или полупроводниковые лазеры, работающие в режиме генерации одиночной моды (одночастотная генерация). В случае волоконного лазера распределённое отражение возникает в волоконной брэгговской решётке, обычно её длина составляет несколько миллиметров или сантиметров. Эффективность поглощения накачки может быть достигнута только при высокой концентрации примесей в волокне. К сожалению не всегда легко записать брэгговсую решётку в волокна с таким составом (например, волокна из фосфатного стекла), который позволяет высокую концентрацию примесей. Поэтому выходная мощность, как правило, довольно ограничена (например, до нескольких десятков милливатт). Однако этот тип одночастотных волоконных лазеров очень простой и компактный. Его компактность и надёжность приводят к низкому уровню фазового шума и шума интенсивности, то есть, так же к уменьшению ширины спектральной линии, хотя основной предел выше (ширина линии Шавлова-Таунса), чем длиннее волоконный лазер.

Конструкция полупроводникового DFB лазера может содержать интегрированную решётку, например гофрированный волновод. Решётка может быть выполнена на поверхности активного слоя, однако при таком методе выращивание слоя отнимает много времени. Альтернативой этой конструкции является структура с боковым нанесением, где решётки выполнены с обоих сторон активного слоя. Полупроводниковые DFB-лазеры способны излучать в различных спектральных диапазонах, от 0.8 мкм до 2.8 мкм. Их выходная мощность составляет десятки милливатт. Ширина линии модуляции, как правило, составляет несколько сотен МГц. Так же возможна перестройка длины волны на несколько нанометров. При использовании термо-регулирующие устройств, например как в системах с волновым уплотнением (DWDM мультиплексор), наблюдается высокая устойчивость длины волны.

DFB лазеры не следует путать с DBR лазерами.

Источник

Лазеры с распределённой обратной связью (DFB-лазеры)

Перевод Андрея Швеца

DFB лазеры не следует путать с DBR лазерами.

Источник