SŁAWOMIR WIAK (redakcja)

SŁAWOMIR WIAK (redakcja) Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT

Recenzenci: Prof. Janusz Turowski Politechnika Łódzka Prof. Ewa Napieralska Juszczak University Lille Nord de France, LSEE, UA, Francja Autorzy rozdziałów: Prof. Piotr Ostalczyk (rozdz. 1, 2) Prof. Edward Jezierski (rozdz. 3) Dr hab. inż. Zbigniew Gmyrek (rozdz. 4) Dr hab. inż. Ryszard Szczerbanowski, prof. PŁ (rozdz. 5) Dr inż. Grzegorz Tosik (rozdz. 6) Prof. Zbigniew Lisik (rozdz. 6) Dr hab. inż. Jacek Gołębiowski, prof. PŁ (rozdz. 7) Dr hab. inż. Krzysztof Pacholski, prof. PŁ (rozdz. 8, 9) Prof. Krzysztof Gniotek (rozdz. 10) Dr hab. inż. Iwona Frydrych, prof. PŁ (rozdz. 10) Dr hab. Inż Ryszard Korycki, prof. PŁ (rozdz. 11) Dr inż. Grażyna Sobiczewska (rozdz. 12) Dr hab. Maria Dems, prof. PŁ (rozdz. 13, 15) Prof. Sławomir Wiak (rozdz. 13, 14, 15, 16, 17) Dr inż. Wojciech Rosiak (rozdz. 13, 15) Dr inż. Paweł Drzymała (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Henryk Welfle (rozdz. 14, 16, 17) Dr inż. Ryszard Lasota (rozdz. 18) Dr inż. Marek Jan Glaba (rozdz. 19) Monografia przygotowana w ramach projektu "Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania, także osób niepełnosprawnych", współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach europejskiego Funduszu Społecznego - Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki "Priorytet IV, poddziałanie 4.1.1. Wzmocnienie potencjału dydakty-cznego uczelni". Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych, w tym również nie może być umieszczany ani rozpowszechniany w postaci cyfrowej zarówno w Internecie, jak i w sieciach lokalnych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISBN 978-83-60434-85-7 Copyright by EXIT, Politechnika Łódzka Łódź 2010

Grzegorz Tosik Zbigniew Lisik 6. Systemy optoelektroniczne 6.1. Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne 6.1.1. Wstęp podstawowe definicje Pod pojęciem światła rozumie się promieniowanie elektromagnetyczne, widzialne dla człowieka. Zakres długości fali dla takiego promieniowania wynosi 380-750 nm. Od strony krótszych fal zakres widzialny graniczy z ultrafioletem, natomiast od strony dłuższych fal z podczerwienią. Falami elektromagnetycznymi nazywamy indukujące się wzajemnie zmienne poła elektryczne i magnetyczne, przy czym wektor natężenia pola elektrycznego i wektor indukcji pola magnetycznego są w każdym punkcie prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali (fale poprzeczne). Parametrami opisującymi taka fale są: Okres fali T - czas, po jakim fala znajduje się w tej samej fazie. Okres mierzymy w jednostkach czasu, Długość fali λ- droga, jaką przebędzie fala w ciągu trwania okresu. Długość fali mierzymy w jednostkach długości, Częstotliwość fali f - ilość okresów w ciągu sekundy. Częstotliwość mierzymy w Hertzach. Związek pomiędzy tymi wielkościami jest opisany przez wzory λ = c f 1 f = T (6.1) w których c oznacza prędkość światła. Dokładnego opisu zachowania się fal elektromagnetycznych dokonał James Maxwell. Twierdził on, że fale elektromagnetyczne muszą poruszać 273

się z pewną określoną prędkością zwaną prędkością światła. Równocześnie udowodnił tym, że światło jest także falą elektromagnetyczną. Maxwell przewidział także istnienie fal o znacznie większych długościach - określane dzisiaj, jako fale radiowe. Zachowanie się pola elektromagnetycznego w jednorodnym nieprzewodzącym ośrodku pozbawionym swobodnych ładunków elektrycznych opisane jest równaniami Maxwella w postaci: Prawo Gaussa z elektrostatyki 0 0 Prawo Gaussa z magnetostatyki Prawo indukcji Faradaya Prawo Ampera 6.1.2. Układy konwersji sygnału optycznego Aby móc wykorzystać światłowód jako medium transmisyjne do przesyłania sygnałów cyfrowych na duże odległości niezbędne jest zastosowanie odpowiednich konwerterów elektro/optycznych (E/O) na wejściu oraz optyczno/elektrycznych (O/E) na wyjściu światłowodu, jak to pokazano na rys.6.1. Układ sterujący Kanał optyczny przedwz macniac z E/O O/E Rys. 6.1. Schemat systemu transmisji danych Po stronie emitera, cyfrowy sygnał elektryczny wykorzystywany jest do modulacji intensywności świecenia źródła światła, natomiast po stronie odbiornika sygnał optyczny docierający z światłowodu zamieniany jest na sygnał elektryczny (najczęściej sygnał prądowy) w detektorze. Najczęściej używanymi układami konwersji E/O i O/E sa układy półprzewodnikowe zbudowane z materiałów grupy III-V (III Al Ga In, IV Si Ge, V P As). 274

Dobór materiałów następuje w zależności od ich przerwy energetycznej, która ma bezpośrednie przełożenia na długość fali emitowanego bądź absorbowanego promieniowania. Energia Pasmo przewodnictwa W g Pasmo walencyjne 2eV Wg (Si) =1.12eV W g (Ge) =0.66eV W g (GaAs) =1.42eV Rys. 6.2. Uproszczony model energetyczny półprzewodnika Uproszczony model energetyczny materiałów półprzewodnikowych przedstawiono na rys. 6.2. Półprzewodnik posiada dwa pasma energetyczne, w których mogą znajdować się elektrony atomów, z których materiał ten jest zbudowany. Pasma te są od siebie oddzielone tzw. przerwą energetyczną, w której zabronione jest przebywanie elektronów. Elektrony z pasma walencyjnego związane są wiązaniami kowalencyjnymi z atomami tworzącymi sieć krystaliczną natomiast elektrony z pasma przewodnictwa (o energii odpowiadającej pasmu przewodnictwa) są swobodnymi nośnikami ładunku. Oznacza to, że elektrony te mogą samodzielnie brać udział w przepływie prądu elektrycznego, podczas gdy elektrony pasma walencyjnego mogą jedynie przeskakiwać od wiązania do wiązania i mogą jedynie tworzyć tzw., prąd dziurowy. Dziurami określa się wiązania miedzy atomowe, w których brakuje elektronu, miejsce występowania dziury posiada lokalny ładunek dodatni i przemieszczanie się tego ładunku jest określane jako prąd dziurawy. W warunkach równowagi termodynamicznej istnieją stałe (normalne) koncentracje elektronów i dziur (dziura powstaje, gdy elektron uczestniczący w wiązaniu kowalencyjnym dwóch atomów jest z niego oderwany w wyniku dostarczenia mu energii i przechodzi na wyższy poziom energetyczny do pasma przewodnictwa). Zmiana stanu energetycznego elektronów walencyjnych występuje poprzez zjawisko generacji bądź rekombinacji nośników [1,8], tak jak to pokazano na rys. 6.3. Zjawiska te wykorzystywane są odpowiednio do detekcji i emisji promieniowania elektromagnetycznego i zostaną opisane w dalszej części rozdziału. 275

W C hν G R hν W V Rys. 6.3. Zjawisko rekombinacji i generacji nośników przedstawione na modelu energetycznym Typowe materiały stosowane w optoelektronice przedstawiono w Tabeli 6.1. Materiały, które wykorzystujemy w optoelektronice należą głównie do grupy III-V układu okresowego pierwiastków [4,7]. W zależności od składu oraz przerwy energetycznej pierwiastka uzyskujemy interesującą nas długość fali elementu aktywnego (emitera bądź detektora światła). Tab. 6.1. Materiały stosowane do wytwarzania elementów optoelektronicznych Półprzewodnik Długość fali Układ Diamond (pn) 235 LED (stadium badawcze) ZnS 340 LED (tylko prototypy) AlGaN 350 LED, od 2002 InGaN/GaN 370 LED, od 1999 GaN 393-410 LED, od 2002 InGaN 405 LD, od 1999 GaN on SiC 430 LED, od 2000 InGaN/AlGaN, Zn doped 385+450 LED SiC 470 LED InGaN/GaN 440-525 LD, od 2001 (440-450 nm), LED ZnCdSe / ZnSSe 515 LD (tylko prototypy) GaP:N 555-605 LED AlGaInP 590-630 LED AlGaInP 630-690 LD, LED AlGaAs 655-880 LD, LED GaAs 940 LD InGaAs 980 LD InGaAsP 1300-1550 LD InAsSbP InAsSbP LD PbSnSeTe 7000-20000 LD (przestrajalny) PbSnSe, PbSSe, PbCdSe 3000-40000 LD (przestrajalny) InGaN/YAG :6500 K LED 276

6.1.3. Emitery promieniowania elektromagnetycznego 6.1.3.1. Dioda LED Budowa diody LED została przedstawiona na Rys 6.4. Sercem diody jest złącze pn zbudowane z półprzewodnika o określonej przerwie energetycznej. Do materiału półprzewodnika umieszczonego w odbłyśniku dołączone są elektrody Katoda i Anoda (zazwyczaj dłuższa). Całość zatopiona jest w hermetycznej obudowie, przez którą wydostaje się emitowane promieniowanie elektromagnetyczne. Rys. 6..4. Budowa diody LED Zasada działania diody półprzewodnikowej LED (ang. Light Emitting Diode) opiera sięę na zjawisku elektroluminescencji [2,3]. Luminescencja polega na emitowaniu przez materię, uprzednio wzbudzonąą energetycznie, promieniowania elektromagnetycznego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. Biorąc pod uwagę sposób pobudzenia energetycznego możemy doprecyzować, że emisja promieniowania elektromagnetycznego diody LED jest wynikiem elektroluminescencji. Elektroluminescencja następuje wskutek przepływu prądu i pola elektrycznego, które to powodują rekombinację promienistą swobodnych nośników ładunku w półprzewod- niku. Istnieją trzy podstawowe mechanizmy rekombinacji, rekombinacja Augera rekombinacja fononowa i rekombinacja promienista [8]. Rekombinacja Augera - energia wytrącona w procesie zostaje przekazana drugiemu elektronowi w paśmie przewodnictwa lub dziurze w paśmie walencyjnym. Drugi elektron zostaje wzbudzony do 277

stanu o większej energiii w paśmie przewodnictwa, a następnie rozprasza uzyskaną energię w wyniku oddziaływania z siecią krystaliczną. Proces ten, obejmujący dwa elektrony i dziurę będzie odgrywał istotną rolę przy dużych koncentracjach nadmiarowych elektronów; Rekombinacja fononowa energia wytrącona w tym procesie przekazywana jest fononom, czyli drganiom sieci krystalicznej. (w najprostszym ujęciu zamieniana jest w ciepło). Rekombinacja fononowa odbywa się w sposób bezpośredni przejście pasmo- pasmo, lub przejścia mieszane, wielofotonowe z udziałem relaksacji sieci krystalicznej; Rekombinacja promienista energia wynikająca z tego procesu zamieniana jest w cząstkęę światła, foton, o energii równej szerokości przerwy energetycznej materiału półprzewodnika E =hv, gdzie v to częstotliwośćć promieniowania elektromagnetycznego a h to stała Plancka. Rys. 6.5. Proces rekombinacji, przejście proste przejście skośne Ze względu na zależność energii od pędu materiały półprzewod- nikowe można podzielić na półprzewodniki z prostą i skośną przerwą energetyczną, tak jak to pokazano na rys. 6.5. W półprzewodnikach z prostą przerwą energetyczną, minimum pasma przewodnictwa i maksimum pasma walencyjnego przypadają dla tej samej wartości wektora falowegoo k (p=hk). Oznacza to, że w przypadku rekombinacji elektronu z pasma przewodnictwa z dziurą z pasmaa walencyjnego połączonej z emisją fotonu pozostaje zachowany całkowity pęd układu. Proces rekombinacji odbywa się poprzez tzw. przejście proste. W półprzewodnikach ze skośnąą przerwą energetyczną wierzchołek pasma walencyjnego i minimum pasma przewodnictwa odpowiadają różnym 278

wartościom wektora falowego k. W tym przypadku przy rekombinacji elektronu z dziurą połączonej z emisją fotonu, zachowanie pędu jest możliwe dzięki istnieniu fononu. Ponieważż tzw. przejście skośne jest procesem trójcząstkowym (elektron + foton + fonon), prawdopodobieństwo jego wystąpienia jest znacznie mniejsze niż prawdopodobieństwo przejścia prostego, w którym biorą udział tylko dwie cząstki (elektron i foton). Aby uzyskać efekt elektroluminescencji należy spolaryzować złącze pn diody LED w kierunku przewodzenia tak jak to zobrazowano na modelu energetycznym przedstawionym na rys. 6.6. Elektrony dostarczane z obwodu zewnętrznego rekombinują promieniście z dziurami w złączu pn, przez co oddają swoją energie fotonom (cząstką światła o energii E=hv). Rys. 6.6. Dioda LED spolaryzowana w kierunku przewodzenia model energetyczny Przejście elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego w diodzie LED następuje w wyniku emisji spontanicznej. Emisja spontaniczna jest procesem losowym. Prędkość tego procesu jest proporcjonalna do gęstości elektronów na poziomie wzbudzonym (N2) oraz współczynnika Einstein emisji spontanicznej (A): R s pon= N 2 A (6.2) Zasadę emisji światła przez diodę LED ilustruje rys.6.7. Długość fali emitowanego promieniowania równa jest różnicy energii w paśmie przewodnictwa i energii w paśmie walencyjnym: λ = E 2 hc E 1 = hc E g (6.3) 279

E λ [μm] λ 1 λ 2 E 4 E 2 hν 1 FWH HM = 1.8kT E g hν 2 FWHM E 1 E 3 0 k E g E g + kt/2 E [ev] Rys. 6.7. Widmo emisji diody LED powstałe w wyniku emisji spontanicznej Szerokość widma promieniowania typowej diody LED wynosi około 30-60 nm, co wynika to z faktu, iż energie elektronów w paśmie przewodnictwa oraz dziur w paśmie walencyjnym nie są identyczne [1]. Mogą się one zmieniać w pewnych granicach, co powoduje, że energia, a tym samym długość fali emitowanych fotonów powstałych na skutek rekombinacji nie jest stała, ale zawiera się w pewnym zakresie. Długość fali emitowanych fotonów, a tym samymm położenie tego zakresu, odpowiada przerwie energetycznej materiału, z którego wykonane jest złącze PN. Ilustruje to rys. 6.8, na którym przedstawiono charakterystyki widmowe przykładowych diod LED. Rys. 6.8. Widmo promieniowania diod LED 280

Duży wpływ na właściwości diody LED ma temperatura. Wraz ze wzrostem temperatury złącza, widmo emitowanego promieniowania ulega rozszerzeniu, zwiększa się długość fali emitowanego promieniowania oraz zmniejsza się emitowana moc optyczna. Głównymi źródłami ciepła jest wydzielanie ciepła na rezystancji szeregowej diody, rekombinacja niepromienista oraz absorpcja. 6.1.3.2. Dioda Laserowa LD Dioda laserowa jest źródłem światła, które w celu uzyskania rekombinacji promienistej wykorzystuje zjawisko emisji wymuszonej (LASER to abrewiacja słów ang. Light Amplification by Stimulated Emission) [6,7]. Prędkość emisji wymuszonej jest proporcjonalna do gęstości elektronów na poziomie wzbudzonym (N 2 ), gęstości promieniowania wymuszającego oraz współczynnika Einsteina (B): R wym = N 2 Bρ(ν) (6.4) W procesie emisji wymuszonej wypromieniowany foton posiada tę samą energię, fazę, polaryzację oraz kierunek propagacji jak foton wymuszający. Oba fotony (wymuszający i wymuszony) są koherentne. Aby doszło do wystąpienia emisji wymuszonej niezbędne jest spełnienie kilku warunków. Przede wszystkim materiał, z którego zbudowany będzie ośrodek czynny lasera musi zapewniać istnienie stanów metastabilnych, czyli poziomu wzbudzenia cząsteczek o energii większej od poziomu podstawowego, na którym czas życia jest dostatecznie długi. Długi czas przebywania cząsteczek na poziomie wzbudzenia niezbędny jest do uzyskania inwersji obsadzeń określającej stan układu, w którym w stanie o energii większej (wzbudzonym) jest większa liczba cząstek niż w stanie o energii mniejszej (podstawowym). Inwersje obsadzeń uzyskuje się za pomocą układu pompującego, którego zadaniem jest dostarczenie odpowiednio dużej energii do ośrodka czynnego, a tym samym przeniesienie cząsteczek do poziomu wzbudzonego. Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym W ośrodku czynnym, w którym uzyskaliśmy inwersje obsadzeń foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany, następuje emisja wymuszona fotonu o takiej samej fazie, częstotliwości, polaryzacji i kierunku propagacji. Ostatni z warunków akcji laserowej to istnienie rezonatora optycznego [5,7]. Rezonator sprzęga promieniowanie charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym przypadku rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione idealnie równolegle do siebie 281

i umożliwiają powstanie w nim fal stojących. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej. Podstawowe właściwości promieniowania laserowego to: Monochromatyczność ciąg falowy ma tę samą długość fali, Równoległość promieniowania, Uporządkowanie czasowo-przestrzenne emitowanej fali, które nazywamy koherencją lub spójnością, co ilustruje rys. 6.9. Promienie niekoherentnee Promienie koherentne Rys. 6.9. Porównanie promieniowania niekoherentnego z promieniowaniem laserowym W telekomunikacji światłowodowej stosuje się diody laserowe posiadające złącza p-n utworzone z wysokodomieszkowanych, tzw. zdegenerowanych, materiałów półprzewodnikowych typu n i p. W złączach takich, w obszarze typu p pasmo przewodnictwa jest prawie puste, a pasmo walencyjne nie do końca obsadzone, natomiast w obszarze typu n, pasmo walencyjne jest w pełni zajęte, a w paśmie przewodzenia są obsadzone prawie wszystkie stany bliskie przerwiee zabronionej. Polaryzując taką strukturę w kierunku przewodzenia uzyskujemy przepływ elektronów z obszaru n do obszaru p. Elektrony, które znajdą się w paśmie przewodzenia obszaru p powodują inwersje obsadzeń niezbędną do uzyskania akcji laserowej, jak to ilustruje rys.6.10. Początkowo dioda laserowa zachowuje się jak konwencjonalna dioda LED, tzn obserwujemy spontaniczne przejścia elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego w wyniku czego emitowany jest kwant promieniowania o częstotliwości równej szerokości przerwy zabronionej W g g=w C -W V. Wraz ze wzrostem prądu diody powyżej wartości tzw. prądu progowego (odpowiednik układ pompujący lasera) emisja spontaniczna zastąpiona zostaje emisją wymuszoną i fotony powstałe w wyniku emisji spontanicznej (spełniające warunek rezonansu rezonatora optycznego) inicjują emisję 282

p n F C = F V F C rekom binacja F V hν hν WC W V Rys. 6.10. Emisja wymuszona uzyskana w laserze półprzewodnikowym wymuszoną fotonów o takiej samej jak ich fazie, częstotliwości, polaryzacji i kierunku propagacji. Aby dokładniej pokazać różnice pomiędzy diodą laserową (LD ang. Laser Diode) a diodą LED, na rys. 6.11 przedstawiono typową charakterystykę prądową diody laserowej. Wraz ze wzrostem prądu diody rośnie intensywność promieniowania emitowanego w wyniku emisji spontanicznej. Po przekroczeniu prądu progowego, obserwujemy gwałtowny wzrost promieniowania spowodowany emisją wymuszoną. Moc świetlna Akcja laserowa (emisja wymuszona) Emisja spontaniczna Prąd progowy Natężenie prądu Rys. 6.11. Charakterystyka prądowa diody laserowej. Stosunkowo duża szerokość widmowa diody LED (typowo 40-60nm) ogranicza jej zastosowanie jak źródła sygnału w optycznych liniach transmisyjnych do relatywnie krótkich dystansów (rzędu 1-2km) i światłowodów wielodomowych [5]. Poprzez zastosowanie odpowiednich filtrów optycznych możliwe jest co prawda zmniejszenie szerokości widmowej diody LED, ale jest to rozwiązanie dosyć skomplikowane a przez to nie ekonomiczne. W przeciwieństwie do diody LED, jak to pokazano na rys. 6.12, szerokość widmowa promieniowania laserowego jest bardzo 283

mała, a jej typowe wartości są od 3nm do nawet 0.01nm. Tak wąskie widmo pozwala ograniczyć wpływ dyspersji chromatycznej światłowodu na pasmo sygnału a przez to pozwala na przesyłanie sygnałów przy wykorzystaniu światłowodów jednomodowych na bardzo duże odległości, rzędu setek kilometrów. Moc świetlna Akcja las serowa (emisja wym muszona) Emisja sp pontaniczna Dług gość fali Rys. 6.12. Charakterystyka widmowa diody LD i diody LED. Diody laserowe wykonywane są zazwyczaj w postaci struktur z emisją krawędziową lub emisją powierzchniową [7], których budowa jest pokazana poglądowo, odpowiednio, na rys. 6.13 i rys. 6.14. Laser o emisji krawędziowej jest strukturąą stosunkowoo prostą z rezonatorem ograniczającym obszar aktywny lasera usytuowanym w płaszczyźnie złącza. Powierzchnie zwierciadlane, wzajemnie równoległe i prostopadłe do płaszczyzny złącza są wykonywane w nim bardzo prosto, metodą łupania kryształu wykorzystującą jego anizotropowe właściwości mechaniczne. Lasery takie emitują promieniowanie krawędziowo, co utrudnia ich integrację z linia światłowodową. Istnieją dwa podstawowe typyy laserów krawędziowych; lasery z samoistnym efektem falowodowym (ang. gain-guided strip laser) i lasery z wbudowanym falowodem (ang. index-guided strip laser). Rys. 6.13. Struktura lasera o emisji krawędziowej. Struktura lasera o emisji powierzchniowej, nazywanego często VCSEL (ang. Vertical Cavity Surface Emitting Laser) jest znacznie bardziej 284

złożona. Posiadaa on pionowy rezonator optyczny ograniczony dwoma wielowarstwowymi ćwierćfalowymi zwierciadłami Bragga i zawiera wewnątrz cienki obszar aktywny utworzony przez kilka warstw studni kwantowych MQW (ang. Multi Quantum Walls). Wewnętrzna kołowa apretura lasera VCSEL zapewnia emisję powierzchniową z małego obszaru, a promieniowanie rozchodzi sięę stożkowo tworząc stożek o podstawie kołowej i kącie rozwarcia ok. 5 o. Oferuje on stosunkowo niski prąd progowy (około 1-3mA), wysoki stosunek prądu roboczego do progowego, wysoką sprawność oraz względną łatwość sprzęgania z włóknami światłowodowymi. Podstawowaa różnica miedzy laserami krawędziowymi a laserami powierzchniowymi polega na tym, ze w tych ostatnich długość rezonatora, a co za tym idzie droga, na której wytwarzane promieniowanie ulega wzmocnieniu, wynosi zaledwie kilka długości fali. W konsekwencji współczynniki odbicia zwierciadeł na końcach rezonatora musza być bliskie 100%, aby w ogóle udało się wzbudzić akcje laserowa. Rys. 6.14. Struktura lasera typu VCSEL Sygnał optyczny wytworzony w laserze należy przed wprowa- dzeniem go do medium transmisyjnego poddać modulacji, czyli zmienić jego parametry zgodnie z transmitowanymm sygnałem informacyjnym. Wyróżnia się tu dwa typy modulacji; bezpośrednią i zewnętrzną. Modulacja bezpośrednia polega na zasilaniu źródła światła (lasera lub diody) prądem o amplitudzie modulowanej sygnałem informacyjnym, co powoduje odpowiednie zmiany intensywności świeceniaa źródła światła. W diodzie LD proces ten odbywa się z pewną sprawnością wynikającą z nachylenia charakterystyki diody. Modulacja bezpośrednia, aczkolwiekk bardzo prosta w swej koncepcji, powoduje zazwyczaj zniekształcenia sygnału optycznego wynikające z nieliniowości odpowiedzi lasera lub diody. Modulacja zewnętrzna polega na zastosowaniu lasera pracującego na fali ciągłej modulowanej podczas przejścia przez modulator zewnętrzny. 285

6.1.4. Detektory promieniowania elektromagnetycznego Zasada działania detektorów promieniowania opiera się na zjawisku absorpcji światłaa prowadzącego do zmian parametrów elektrycznych detektora [1,2,8]. W detektorach półprzewodnikowych zaabsorbowane promieniowanie może doprowadzić to powstania dwóch efektów przedstawionych poglądowo na rys. 6.16. Efekt fotoelektryczny we- wnętrzny polega na przejęciu energii fotonów przez elektrony przechodzące na wyższe poziomy energetyczne. Jeżeli jest to generacja dodatkowych par dziura-elektron (Absorpcjaa samoistna), prowadzi to do pojawienia się zjawiska fotowoltaicznego lub zjawiska fotoprzewodnictwa, natomiast, jeżeli jest to jonizacja atomów (Absorpcja domieszkowa) wystąpi tylko to drugie zjawisko. Efekt fotoelektryczny zewnętrzny polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu poprzez barierę powierzchniową dzięki przejętejj energii fotonów. Rys. 6.15. Efekt fotoelektryczny a) wewnętrzny, b) zewnętrzny. Do wykonywania fotodetektorów półprzewodnikowych stosuje się najczęściej materiały grupy III-V. Dobiera sięę je ze względu na szerokość przerwy energetycznej, która ma bezpośrednie przełożenie na charakte- rystykę widmowąą detektora. Jest ona bezpośrednio związana ze współ- sa pokazane na rys. 6.16. Krzem Si jest używany do detekcji sygnałów o długości fali poniżej 1000nm. Dla fali dłuższych z zakresu bliskiej podczerwieni używamy germanu Ge bądź materiałów InGaAsP, InGaAs. Na powierzchni półprzewodnika część padającego promieniowania elektromagnetycznego może zostać odbita (na skutek różnicy współczynnika załamania powietrza i półprzewodnika). Dla niektórych materiałów wartość odbicia sięga 30%, można ją jednak zmniejszyć stosując warstwy antyrefleksyjne. Wewnątrz półprzewodnika zachodzi ekwipotencjalny spadek strumienia mocy optycznej. Głębokość wnikania tego strumienia jest bezpośrednio związana ze współczynnikiem absorpcji, co ilustruje rys. 6. czynnikiem absorpcji materiału, którego zmiany dla kilku materiałów 16. 286

Rys. 6.16. Współczynnik absorpcji wybranych materiałów półprzewodnikowych. 6.1.4.1. Fotorezystor Fotorezystor jest najprostrzym przypadkiem fotodetektora [8]. Jest on zazwyczaj zbudowany z niskodomieszkowanego półprzewodnika jednego typu, n lub p, do którego dołączono kontakty elektryczne. Padające promieniowanie jest pochłaniane przez elektrony walencyjne, które uzyskując energię większą od energii przerwy zabronionej W g przechodzą z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Powoduje to proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania wzrost ilości zasilanie sygnał Padające oświetlenie Kontakt elektryczny l Kontakt elektryczny Rys. 6.17. Układ fotorezystora elektronów i dziur w materiale półprzewodnikowym i tym samym wzrost jego przewodności. Przyrost tej przewodności, nazywany fotoprzewodnictwem, może być mierzony np., poprzez pomiar zmiany wartości prądu płynącego w układzie przedstawionym na rys. 6.17. W układzie tym sygnałem mierzonym jest spadek napięcia na boczniku prądowym włączonym do obwodu pomiarowego. 287

6.1.4.2. Fotodioda p-n Zasada działania fotodiody opiera się na istnieniu wbudowanej bariery potencjału związanej ze złączem p-n [1,8], a zachodzące w niej zjawiska wywołane oświetleniem strumieniem fotonów są pokazane na rys. 6.18. Jeżeli w obszarze tej bariery lub w jej najbliższym otoczeniu zostaną zaabsorbowane przez elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym fotony o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej W g, to nastąpi generacja pary dziura-elektron w wyniku przejścia tego elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Nowopowstała para dziura-elektron znajdzie się w obszarze oddziaływania pola elektrycznego związanego z barierą potencjału na złączu p-n, a pole to będzie działało na te nośniki siłami elektrostatycznymi w ten sposób, że elektron będzie kierowany ku warstwie n diody, a dziura ku warstwie p diody. Nastąpi trwałe rozdzielenie pary nośników wygenerowanych dzięki absorpcji fotonu. kontakty Padające oświetlenie Warstwa antyrefleksyjna P+ p Pasmo przewodnictwa hν hν dziury elektrony N E g hν Pasmo walencyjne hν 288 Rys. 6.18. Model geometryczny i model pasmowy fotodiody p-n w stanie oświetlenia W efekcie rozdzielenia nośników, każdy z nich wnosi swój ładunek do bilansu nieskompensowanego ładunku przestrzennego, odpowiednio, warstwy n i p tworzących złącze p-n. Zmiany w tym ładunku są tym większe im więcej par-dziura elektron jest generowanych, co w konsekwencji przekłada na zmianę charakterystyki prądowo-napięciowej samego złącza. Zmiany te są pokazane na rys. 6.19. W wyniku pojawienia się oświetlenia złącza wywołującego generacje par dziura-elektron charakterystyka I-V przesuwa się w dół. W efekcie, przy braku prądu płynącego przez złącze, na zaciskach diody pojawi się tzw. foto-napięcie U F, a przy zwarciu kontaktów anody i katody popłynie pomiędzy nimi tzw, foto-prąd J F przy zerowym napięciu anoda-katoda (U=0).

Rys. 6.19. Charakterystykaa prądowo-napięciowa idealnej fotodiody: 1 - fotodioda nieoświetlona, 2 - fotodioda oświetlona 6.1.4.3. Fotodioda p-i-n Fotodiody p-i-n są obecnie najpopularniejszymi detektorami promieniowania w systemach światłowodowych [5]. Budowa fotodiody p-i-n oraz jej model pasmowy są przedstawionee na rys. 6.20. Podstawową zaletą fotodiody p-i-n w porównaniu z fotodiodą p-n jest istnienie obszaru półprzewodnika bliskiego samoistnemu oznaczonego literą i pomiędzy warstwami p i n. Rys. 6.20. Model geometryczny i model pasmowy fotodiody p-i-n w warunkach oświetlenia 289

Stosunkowoo szeroka warstwa quasi-samoistnaa jest słabo domieszkowana, co powoduje, że posiada ona dużą rezystancję przy polaryzacji w kierunku przewodzenia z jednej strony, ale z drugiej strony zapewnia występowanie dużego obszaru ładunku przestrzennego przy polaryzacji wstecznej. Dzięki temu prawie całe napięcie fotodiody spolaryzowanej w kierunku zaporowym odkłada się właśnie na tej warstwie powodując powstanie dużego obszaru z polem elektrycznym, w którym następuje separacja generowanych par dziura-elektron. Elektrony i dziury generowane w tej warstwie i są rozdzielane przez pole elektryczne i unoszone do odpowiednich kontaktów elektrycznych. Ogranicza to w sposób znaczący zjawisko rekombinacji generowanych par, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie dużej czułości fotodiody (wydajności kwantowej). 6.1.4.4. Fotodioda APD Fotodiody z powielanie lawinowym APD (ang. Avalanche Photo Diode) są strukturami umożliwiającymi detekcję bardzo słabych sygnałów optycznych [5]. Zazwyczaj zbudowane są w układzie p + -i-p-n +, przedstawionym schematyczniee na rys.6.21. Rys. 6.21. Model geometryczny i struktura pasmowa fotodiody APD 290

Padające promieniowanie jest pochłaniane w obszarze typu i, a wygenerowane w ten sposób pary elektron-dziura zostają rozdzielone przez pole elektryczne zaporowo spolaryzowanej fotodiody. Dziury przemieszczają się poprzez warstwę typu i do warstwy typu p+, natomiast elektrony zmierzają w stronę warstwy n+. W obszarze złącza p-n+ występuje bardzo silne pole elektryczne, które powoduje gwałtowne przyśpieszenie elektronów i wzrost ich energii kinetycznej. W wyniku zderzeń tych elektronów z elektronami walencyjnymi w obszarze ładunku przestrzennego złącza p-n+ następuje zjawisko powielania lawinowego polegające na przejściach elektronów walencyjnych do pasma przewodnictwa i tym samym generacji par dziura-elektron. Proces ten dostarcza nowych nośników i powoduje gwałtowny wzrost prądu, którego amplituda rośnie o współczynnik powielania lawinowego M. 1 M = n U 1- U br (6.5) gdzie: U napięcie, U br napięcie przebicia, a n=1,5 6 - współczynnik dobierany eksperymentalnie. Tab. 6.2. Porównanie właściwości fotodiody PIN i APD. Detektor/cechy Doda PIN Dioda lawinowa Napięcie zasilające 1V 100V 200V 400V Czułość odbioru Ok. 0,5 A/W 10 A/W 100 A/W Pojemność zastępcza 0,05 pf 10 pf Kilka pf Częstotliwość pracy Do kilku GHz Do GHz Wrażliwość temperatur. Mała duża 6.1.4.5. Podstawowe parametry detektorów Typowy układ detektora przedstawiono na rys. 6.22. W układzie tym fotodioda zamienia impuls optyczny na elektryczny impuls prądowy, który jest następnie przetwarzany w kolejnych blokach detektora. Przedwzmacniacz konwertuje sygnał prądowy na sygnał napięciowy, zwykle o napięciu rzędu kilkunastu mv. Taki impuls napięciowy zostaje 291

wzmocniony, a następnie przystosowany do napięcia roboczego, wymaganego przez układy współpracujące z detektorem. Sygnał optyczny Synchronizacja Sygnał wyj. Poziom odniesienia Przed wzmacniacz Wzmacniacz liniowy Układ decyzyjny Rys. 6.22. Schemat układu detektora. Istnieje szereg parametrów stosowanych do oceny jakości tak przedstawionego na rys. 6.22 układu detektora jako całości jak i samego detektora, przetwarzającego sygnał optyczny na elektryczny. Poniżej zdefiniowano najważniejsze z nich: 1. Efektywność kwantowa, definiująca stosunek ilości wygenerowanych par elektron-dziura do liczby fotonów absorbowanych przez fotodetektor. η = Liczba wygenerowanych elektronów Liczba padających fotonów = I ph q PIN h ν = h ν R q (6.6) 2. Czułość prądowa określająca stosunek przyrostu zwarciowego prądu fotoelektrycznego do strumienia promieniowania padającego na detektor. W przypadku detektorów z zakresu podczerwieni podaje się zależność widmową czułości na promieniowanie ciała doskonale czarnego o określonej temperaturze. R I η = ph q = P h ν IN ηλ 1.24 (6.7) 3. Stosunek sygnału do szumu SNR (ang. Signal to Noise Ratio) określający odstęp mocy sygnału od mocy szumu. Określa wartość (wyrażoną najczęściej w db) mocy sygnału użytecznego w zadanym paśmie częstotliwościowym do mocy szumów w tym samym paśmie częstotliwościowym. Upraszczając, mówi on ile razy moc sygnału użytecznego jest większa od mocy szumów wzmacniacza. 292

6. SYS STEMY OPTOLEKETRONICZN NE SNR = 4. Sygnal uzytecznypp Szum RMS (6.8)) Moc równoważna szumom NEP (ang. No osie Eqivalent Power) będąc ca wartością skkuteczną mocy y promieniowa ania monochro omatycznego o określonej dłługości fali pad dającego na detektor, która daje na wyjśc ciu sygnał napię ęciowy o warto ości skutecznej równej pozziomowi szumu, znormalizowa anego do jedn nostkowej szerokości pasma a. Upraszczają ąc jest to poziom oświetlen nia wymaganyy do uzyskan nia na wyjśc ciu detektora sto osunku sygnału u do szumu rów wnego jednoścci. NEP = Rn Vn (6.9)) gdzie: Rn czzułość napięcio owa a Vn napięcie szumów w Ry ys. 6.23. Charaktterystyka widmowa detekcyjnośc ci 5. Detekcyjnośćć inaczej wy ykrywalność, jest to unormo owany stosune ek sygnału do szumu s dla jedn nostkowej szerrokości pasma a i jednostkow wej powierzchni fotodetektora. Charakteryzu uje zdolność fo otodetektora do d reagowania na najmniejsz zą moc prom mieniowania. Charakterystyk C kę widmową dettekcyjności prz zedstawiono na rys. 6.23. 29 93

v(t) v(t) =Signal + Noise σ H V H γ Czas σ L V L BER = 10-9 = 1 błedny bit na bilion Prawdopodobieństwo [v(t)] Rys. 6.24. Wykres obrazujący bitową stopę błędu. D * AΔf = (6.10) NEP gdzie: A powierzchnia detektora a Δf szerokość pasma detektora 6. Bitowa stopa błędów BER (ang Bit Error Rate) jest to wskaźnik, który określa prawdopodobieństwo wystąpienia przekłamania bitu informacji w strumieniu przesyłanej informacji. Bitowa stopa błędów równa 10-9 oznacza, że tylko jeden na miliard przesłanych bitów może być przekłamany. Rys. 6.24 przedstawia wykres, który obrazuje prawdopodobieństwo prawidłowego odczytu sygnału informacyjnego. Powierzchnia pola oznaczonego na szaro przedstawia możliwość popełnienia błędu odczytu. 1 BER = [ P(0/1) + P(1/0) ] (6.11) 2 6.2. Systemy przetwarzania i transmisji sygnałów optycznych 6.2.1. Transmisja sygnału Typowy schemat systemu telekomunikacyjnego jest przedstawiony na rys. 6.25. Zadaniem systemu telekomunikacyjnego jest przesłanie 294

sygnału informacyjnego, zwanego inaczej sygnałem w paśmie podstawowym, poprzez kanał telekomunikacyjny. Sygnał informacyjny, zanim zostanie przesłany do odbiorcy, musi ulec pewnym modyfikacjom. Cyfrowy sygnał elektryczny (najczęściej napięciowy) poddawany jest w nadajniku zakodowaniu a następnie modulacji. Dla telekomunikacji światłowodowej wygląda to następująco: źródło sygnału emituje zawierający informacje sygnał, który następnie poddany jest kodowaniu oraz modulacji. Tak przetworzony sygnał elektryczny zamieniany jest w sygnał optyczny w przetworniku elektryczno-optycznym E/O (zazwyczaj dioda LED bądź laser). Sygnał optyczny jest następnie transmitowany kanałem optycznym (światłowód jedno bądź wielodomowy) do detektora (zazwyczaj dioda p-i-n). Fotodioda pełni rolę przetwornika O/E zamieniając moc optyczną w prąd elektryczny, który następnie jest zamieniony na sygnał napięciowy, a ten na sygnał cyfrowy w układzie decyzyjnym. Procesy te są niezbędne, aby zminimalizować wpływ szumów w kanale transmisyjnym (dla telekomunikacji optycznej jest to światłowód) na sygnał informacyjny. Wymaga to przesunięcia zakresu częstotliwości pasma podstawowego w inny zakres częstotliwości dogodny dla transmisji sygnału. W systemach transmisji sygnału jako układy konwersji E/O i O/E najczęściej używane są układy z optoelektronicznymi przyrządami półprzewodnikowymi przedstawione w rozdz.7.1. Podstawowe elementy toru optycznego zostaną natomiast opisane w dalszej części tego rozdziału. Nadawca informacji NADAJNIK Koder Modulator Zakłócenia informacja sygnał Kanał transmisyjny ODBIORNIK Demodulator Dekoder Odbiorca informacji sygnał informacja Rys. 6.25. Przykład systemu transmisji sygnału Celem modulacji jest przekształcenie sygnału informacyjnego do postaci dogodnej dla transmisji poprzez kanał, a demodulacji operacja odwrotna, odbywa się w odbiorniku i polegająca na odtworzeniu oryginalnego sygnału informacyjnego na podstawie otrzymanej, pogorszonej wersji sygnału wysłanego. Modulacja to zwykle proces 295

nakładania informacji na inny przebieg o wyższej częstotliwości, nazywany falą nośną. Najbardziej rozpowszechnione metody modulacji przedstawiono na rys. 6.26. Modulacja-rodzaje Typu ciągłego Typu nieciągłego (impulsowe) amplitudowa kątowa Amplitudy położenia szerokości kodowa częstotliwości fazy Rys. 6.26. Rodzaje modulacji Najprostszym rodzajem modulacji jest modulacja amplitudowa typu ciągłego pokazana na rys. 6.27. Analogowy sygnał informacyjny zostaje nałożony na przebieg nośny, czyli sygnał o wysokiej częstotliwości odporny na zakłócenia, co powoduje, że amplituda sygnału nośnego zmienia się w funkcji sygnału informacyjnego. W procesie demodulacji wystarczy odseparować obwiednie sygnału nośnego wykorzystując najprostsze układy modulatorów. Obwiednia modulacji Rys. 6.27. Modulacja amplitudowa Podstawowe techniki modulacji cyfrowej przedstawiono na rys.6.28. Kluczowanie amplitudy ASK - polega na zmianie amplitudy harmonicznego sygnału nośnego w zależności od stanu wejściowej informacji cyfrowej przy stałej częstotliwości. Kluczowanie z przesuwem częstotliwości FSK - przy stałej amplitudzie harmonicznego sygnału nośnego następuje zmiana częstotliwości: niższej dla symbolu "zera logicznego" i wyższej dla "jedynki logicznej" informacji binarnej Kluczowanie z przesunięciem fazy PSK - przy stałej amplitudzie i częstotliwości harmonicznego sygnału nośnej stany 296

charakterystycznee uzyskuje sięę przez przesunięcie fazy w zależności od stanu informacji pierwotnej. Techniki modulacji cyfrowej Klu czowanie z prze esunięciem amp plitudy ASK Kluczowanie z przesunięcie em częstotliwości FSK Kluc czowanie z prze sunięciem fa azy PSK Rys. 6.28. Techniki modulacji cyfrowej 6.2.2. Światłowody optyczne Światłowód telekomunikacyjny jest to włókno szklane (lub plastikowe) o określonej charakterystyce współczynnika załamania światła [5,6]. Umieszczony centralnie rdzeń światłowodu otoczony jest cylindrycznym płaszczem o współczynniku załamani światłaa mniejszym od rdzenia. Za prowadzenie światła w światłowodzie odpowiedzialne jest zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego na granicy rdzeń płaszcz światłowodu, tak jak to pokazano na rys. 6. 29. Dla promieni padających pod kątem większym od α c zachodzi zjawisko całkowitegoo wewnętrznego odbicia i promienie światła pozostają w rdzeniu światłowodu. Rys. 6.29. Zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego. Typowy światłowód telekomunikacyjny wykonany jest ze szkła krzemionkowego SiO 2. Aby zwiększyć współczynnik załamania światła rdzenia szkło kwarcowe domieszkowane jest jednym z pierwiastków rzadkich, najczęściej germanemm Ge. Różnica współczynników załamania rdzenia i płaszczaa światłowodu zwykle nie przekracza 1%. Aby zwiększyć wytrzymałość mechaniczną włókna szklanego pokrywa sięę je zewnętrzną powłoką lakierniczą, najczęściej akrylem tak jak to pokazano na rys. 6.30. Światłowody szklane używane są do przesyłania informacji zarówno na 297

małe jak i duże (kilkaset km) odległości. Transmisja odbywa się w zakresie bliskiej podczerwieni w 3 podstawowych oknach światłowodowych 850 nm 1310 nm lub 1550 nm. Alternatywą dla klasycznych włókien szklanych są wielomodowe włókna z tworzyw sztucznych POF (ang Plastic Optical Fiber) o skokowym lub gradientowym profilu refrakcyjnym (zmiany współczynnika załamania). Transmisja odbywa się w zakresie widzialnym przy długości fali bliskiej 650 nm, dla której dostępne są tanie źródła LED i LD oraz fotodiody krzemowe. Tłumienność włókna z PMMA (Poly-methyl- długość łącza do 50-1500 m. Typowe wymiary współcześnie produkowanych światłowodów to; średnicaa rdzenia 8.5 μm, 9 μm dla szklanych światłowodów jednomodowych i 50 μm, 62.5 μm lub 100 μm dla szklanych światłowodów wielomodowych. Średnica płaszcza jest taka sama dla obu typów światłowodów i wynosi 125 μm lub 140 μm. Natomiast średnica pokrycia akrylowego to zwykle 250 μm. Światłowody plastikowe mają z reguły większe wymiary, najczęściej spotykany światłowód wielomodowy (wykonany z PMMA) ma wymiary 980 μm rdzeń i 1000 μm płaszcz. methacrylat) dla długości fali 650 nm wynosi 120-300 db/km, co ogranicza Rys. 6.30. Struktura światłowodu włóknistego Podwyższona wartość współczynnika załamania światła w osi rdzenia w stosunku do płaszczaa powoduje, że wiązka promieni świetlnych propagujących się w światłowodzie ma tendencje do utrzymywania się bezpośrednio w rdzeniu światłowodu. Szybkość światła zależy od współ- płaszcza jest mniejszy niż rdzenia światło propaguje się szybciej w rdzeniu, co powoduje ogniskowanie wiązki wzdłuż osi światłowodu. Z kolei zjawisko dyfrakcji powoduje rozpraszanie wiązki światła prowadzonej w osi światłowodu. Promienie świetlne, dla których oba te czynnika załamania światła. Ponieważ współczynnik załamania światła zjawiska się znoszą nazywamy modami światłowodu. Mody można interpretować, jako efekt wzajemnej interferencji płaskich fal elektroma- gnetycznych odbijających się wielokrotnie od granicy rdzenia i płaszcza światłowodu. Każdy z modów posiada odrębne własności, takie, jak prędkość propagacji, częstotliwość i długość fali, poprzeczne rozkłady pola elektromagnetycznego w ośrodku. Ponadto, każdy z modów odpowiada 298

określonemu kątowi (względem osi światłowodu) rozchodzenia się drgań elektromagnetycznych. O tym ile modów przenosi dany światłowód decyduje jego kształt i rozmiary poprzeczne. Ich rozkład zależy od geometrii elementu prowadzącego promieniowanie, własności optycznych materiału rdzenia i płaszcza oraz od długości rozważanej fali. Rys. 6.31. Rozkład współczynnika załamaniaa światła w funkcji promienia światłowodu Światłowodyy włókniste można klasyfikować ze wzglądu na rozkład współczynnika załamania światła w funkcji promienia światłowodu, jak to pokazano na rys. 6.31. Rozkład współczynnika załamania światła ma zasadnicze znaczenia dla propagacji modów światłowodowych. Wyróżniamy dwa podstawowe profile; skokowy i gradientowy (dodatkowo występują profile złożone np. typu W). We włóknie o skokowej zmianie współczynnika załamania światła całkowite wewnętrzne odbicie wiązki promieniowania następuje przy dyskretnych kątach padania α, jak to ilustruje rys. 6.32a. Prowadzi to do dyskretnego rozkładu pola wiązki światła względem płaszczyznyy prostopadłej do osi włókna, obrazując poszczególne mody światłowodu. W światłowodzie o profilu gradientowym również możliwa jest propagacja wielu modów światła,, jednak ciągły rozkład współczynnika załamania powoduje, że promienie świetlne propagują się drogą podobną do sinusoidy, jak to ilustruje rys.6. 32b. Mody niższych rzędów przebiegają w pobliżu osi włókna z niższą prędkością (w wyniku wyższego współczynnika załamania światła), natomiast mody wyższego rzędu propagują sięę dalej od osi włókna, przez co mają do pokonania dłuższą drogę, ale w wyniku niższego współczynnika załamania światła pokonują ją z większą prędkością. Jednym z najważniejszych parametrów opisujących propagację światła we włóknie światłowodowym jest częstotliwość znormalizowana V. Jest ona zależna od średnicy rdzenia włókna a, długości fali λ i współczynników załamania światła rdzenia i płaszcza światłowodu zgodnie ze wzorem: 2π V = a λ n 2 2 1 n2 (6.12) 299

a) b) Rys. 6.32. Propagacje promieni świetlnych a) profil skokowy, b) profil gradientowy Gdy częstotliwość znormalizowana posiada wartość pomiędzy 0 a 2,405, w światłowodzie może propagować się jedynie mod podstawowy LP 01. Jeżeli V przekroczy granicę jednomodowości 2,405, to możliwa jest propagacja modów wyższego rzędu. Gdy chcemy pracować w zakresie długości fali 1310-1550nm z wykorzystaniem standardowej technologii produkcji włókien światłowodowych narzucającej współczynniki załamania n 1 i n 2, warunek jednodomowości może być osiągnięty tylko poprzez zmniejszenie średnicy rdzenia światłowodu (typowo jest ona równa 8.5 i 9 um). Ilość modów propagujących się w danym światłowodzie może być obliczona korzystając z równania: 2 V g N * (6.13) 2 g + 2 gdzie g oznacza współczynnik potęgowy zależny od profilu współczynnika załamania światła tak jak to jest przedstawione na rys. 6.33. We włóknie wielodomowym z gradientowym rozkładem współczynnika załamania światła o średnicy rdzenia 50um i apreturze numerycznej 0.2 propaguje się ~350 modów. n 1 g= g=2 g=1 n 2 -a +a Rys. 6.33. Profil współczynnika załamania światła. 300

Rys. 6.34. Struktura światłowodu wielo i jednomodowego Ze względu na charakterystykę modową światłowody dzielimy na jednomodowe i wielomodowe, których przykłady pokazano na rys. 6.34. Różnice konstrukcyjne sprowadzają się zasadniczo do różnej średnicy rdzenia światłowodu, 8.5 i 9 um dla jednomodowych oraz 50 μm i 62.5 μm dla wielomodowych. Światłowód jednomodowy jest to światłowód, w którym możliwa jest transmisja tylko jednej wiązki światła. Promień świetlny biegnie wzdłuż włókna równolegle do osi rdzenia. Dzięki temu wiązka świetlna niosąca informacje nie ulega szybkiemu rozmyciu (dyspersji), co zwiększa odległość, na jaką można przesłać dane bez potrzeby ich regeneracji. W światłowodzie wielomodowym istnieją warunki optyczne do powstania i przesyłania wzdłuż osi włókna optycznego wielu dyskretnych modów, (czyli promieni świetlnych), które mogą wchodzić do rdzenia pod różnymi kątami, a każdy kąt powoduje inną (dyskretną) propagację szybkości sygnału wzdłuż osi włókna o tej samej długości fali optycznej. Cechy eksploatacyjne obu typów światłowodów zebrano w tabeli 6.3. Tab. 6.3. Porównanie zalet światłowodów jedno- i wielomodowych Zalety światłowodów jednomodowych Bardzo duża szybkość transmisji sygnałów do 40 Gb/s na kanał Przenoszą do 160 różnych długości fal światła (do 160 kanałów optycznych) Transmisja informacji na bardzo duże odległości bez regeneracji Używane są zakresy długości fal światła w których tłumienie i dyspersja ma wartości minimalne (okna 1310 nm, 1550 nm ) Używane są wzmacniacze optyczne (Raman i EDFAs) Zalety światłowodów wielomodowych Duża średnica rdzenia ułatwia wykonywanie połączeń stałych i rozłącznych Średnia pojemność informacyjna Średnie i krótkie odległości Elektronika na 850 i 1300 nm zapewnia niskie koszty budowy systemów optycznych Można używać diod LED jako źródeł światła w systemach optycznych 301

Rys. 6.35. Poszerzenie impulsu świetlnego spowodowane zjawiskiem dyspersji. Jednym z najważniejszych parametrów włókna światłowodowego jest dyspersja obrazowo pokazana na rys. 6. 35. Określa ona maksymalną przepustowość włókna dla zadanej długości transmisji. Na skutek dyspersji impulsy świetlnee ulegają rozmyciu po przejściu przez światłowód. Rozmycie jest tym większe im dłuższa jest droga, jaką muszą pokonać impulsy świetlne. Zjawisko to ogranicza pasmo przenoszenia, ponieważ istnieje punkt, w którym zbocza dwóch kolejnych impulsów tak się nałożą, że odbiornik nie będzie w stanie rozróżnićć tych impulsów, co będzie generować błędy odczytu. Na całkowitą dyspersję światłowodu składają się z 3 omówionych niżej składniki: Dyspersja modalna występująca tylko w światłowodach wielodomowych. Jeżeli sygnał o skończonym zakresie długości fal zostanie wprowadzony do światłowodu to ulega on podziałowi na poszcze- gólne mody. Każdy z modów przebywa różne drogi optyczne w światłowo- dzie, a więc osiąga koniec światłowodu w różnym czasie. Prowadzi to do pokazanego na rys. 6.36 rozmycia impulsu świetlnego. Dyspersje modalna można zminimalizować poprzez zastosowanie światłowodów gradiento- wych. Rys. 6.36. Poszerzenie impulsu świetlnego spowodowane zjawiskiem dyspersji modalnej. Dyspersja chromatyczna występująca w światłowodach wielodomowych oraz jednodomowych, w których ma największe znaczenie. Zależy ona od długości fali i szerokości widma emitowanego światła i składa się z dyspersji materiałowej i dyspersji falowej. Dyspersja wyrażana jest, jako rozmycie czasowe impulsu w piko-sekundach dla 302

źródła światła o szerokości widmowej równej 1 nm po przebyciu 1 km światłowodu: D F Δτ = = L Δ λ Składowa dyspersji materiałowej jest związana ze zmianam współczynnika załamania światła włókna długości fali. Wynika ona z tego, że światłowodowego w funkcji promień świetlny nie jest monochromatyczny (typowa szerokość widmowa od 60nm do 0.01nm), a światło o różnej długości fali przebiega światłowód z różnymi szybkościami. Rys. 6.37 przedstawia zależność współczynnika załamania światła szkła kwarcowego od długości fali. Wraz ze wzrostem długości fali współczynnik załamania szkła maleje a więc prędkość rozchodzenia się promieni świetlnych rośnie. Prędkość grupowa światła c g jest wyrażona wzorem c g = ps nm N g * km gdzie Ng to grupowy współczynnik załamaniaa światła. c (6.14) (6.15) Rys. 6.37. Współczynnik załamania światła szkła w funkcji długości fali Ponieważ nie istnieje źródło światła ściśle monochromatyczne, gdyż każdy impuls światła składa się z grupy rozproszonych częstotliwości optycznych rozchodzących sięę z różną prędkością, docierający po przebyciu fragmentu włókna mód charakteryzuje się rozmyciem czasowym. Składowa dyspersji falowej wynika z faktu, iż około 80% mocy optycznej rozprzestrzenia się w rdzeniu a 20% w płaszczu światłowodu. Ma ona niebagatelne znaczenie dla przepustowości światłowodów jednodomowych. Jeżeli częstotliwość graniczna wyliczona z jednego z poprzednio prezentowanych wzorów dla modu podstawowego jest dużo 303

mniejsza od 2,045 dla modu podstawowego, to rozchodzi się on głównie w materiale rdzenia. Natomiast, jeżeli zbliżamy się do granicy, to duża, jeśli nie większa, część energii fali rozchodzi się nie w rdzeniu, ale w płaszczu, a przecież różnią się one współczynnikiem załamania. To powoduje, że promienie propagujące się w płaszczu docierają do końca światłowodu w krótszym czasie (na skutek niższego współczynnika załamania światła) niż promienie propagujące się w rdzeniu włókna. Dodatkowo, jak pokazano na rys. 6.38, wraz ze wzrostem długości fali stosunek mocy w rdzeniu do mocy w płaszczu włókna maleje. λ 2 λ 1 λ 1 > λ 2 Rys. 6.38. Rozkład pola modu w zależności od długość fali impulsu świetlnego Typowa charakterystyka włókna szklanego jednodomowego przedstawiająca zmiany dyspersji chromatycznej oraz jej składowych jest przedstawiona na rys. 6.39. Można zauważyć, że dyspersja falowa jest dyspersją tzw. anormalną, co oznacza, że fale elektromagnetyczne poruszają się szybciej. Natomiast dyspersja materiałowa jest dyspersją normalną, co oznacza, że fale elektromagnetyczne poruszają się wolniej. Na charakterystyce istnieje punkt zwany zerem dyspersji (dla światłowodów standardowych przy długości fali 1.31μm), przy którym obie dyspersje składowe się znoszą. Dyspersja 0 Dyspersja materiałowa Dyspersja chromatyczna Zero dyspersji przy 1.31um Dyspersja falowa 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Długość fali [um] Rys. 6.39. Dyspersja chromatyczna włókna szklanego 304