Оптические передатчики DWDM

Ну а теперь перейдем непосредственно к лазерам систем DWDM. Из всего множества типов лазеров — газовых, жидкостных, химических и пр. — полупроводниковые безраздельно господствуют в ВОСП по следующим причинам: высокий к.п.д., удобство управления мощностью выходного излучения, малые габариты при достаточно высокой выходной мощности. Основу современных полупроводниковых лазеров составляет кристалл полупроводника, чаще всего AsGa, легированный различными примесями — Al, St, P. Это так называемая гетероструктура, а фактически — многослойный пирог из материалов с различными типами проводимости и разным составом (рис.2).

Кратко о ПП-лазерах журнал уже рассказывал в одном из прошлогодних номеров /6/. Простейший инжекционный ПП-лазер — это кристалл полупроводника, имеющий форму параллелепипеда, к двум граням которого подведены проводники от генератора накачки (точнее, от модулятора, являющегося одновременно и источником накачки); а через две другие, ортогональные оси активной области выводится излучение. Резонатор, как уже отмечалось, является одним из основных элементов лазера, и в таком простейшем лазере резонатор образуют те две грани, через которые и выводят излучение. Обычно активный кристалл изготовляют путем скалывания от основной пластины, и резонирующие грани получаются достаточно гладкими, что и обеспечивает требуемый коэффициент отражения. Однако селективные свойства такого резонатора крайне низки, и поэтому практически все излучение, генерируемое в активном веществе, выходит из резонатора. Для современных систем DWDM, с расстановкой несущих через 0,82 нм, требуется, во-первых, чтобы ширина линии излучения была, как минимум, на порядок меньше канального интервала; во-вторых, чтобы частота генерации имела долговременную стабильность не хуже 10^-8—10^-9.

Первая задача решается путем использования вместо простейшего резонатора — Фабри-Перо, каковым являются, по сути, грани кристалла, специальных спектрально-избирательных элементов. Чаще всего такими элементами являются дифракционные решетки. Хотя иногда это могут быть зеркала с многослойным интерференционным покрытием. В настоящее время в системах со спектральным уплотнением наибольшее распространение получили лазеры с распределенной обратной связью (РОС) на основе брэгговских дифракционных решеток. В отличие от обычных лазеров, в лазерах с РОС резонатор образован не на излучающих торцах, а на гранях, параллельных оптической оси (рис.3).

Рис. 3

При этом излучение с рабочей длиной волны распространяется не вдоль оси кристалла, а переотражается от граней кристалла, на которых образована дифракционная решетка. (Решетка может формироваться путем травления или облучения грани ультрафиолетовым излучением через специальную маску). Такая конструкция резонатора позволяет в несколько десятков раз сузить ширину спектральной линии.

Но, кроме ширины линии, для систем DWDM важна стабильность частоты, с тем чтобы излучение одного канала не попадало в рабочую область соседнего. В то же время, пропускание больших токов через кристалл приводит к его разогреву и, вследствие этого, к флуктуации частоты генерации. Для решения этой проблемы была предложена схема лазера (а точнее, передатчика) с внешним модулятором и оптическим усилителем. При такой схеме лазер может быть маломощным, обладать хорошей системой стабилизации частоты и мощности излучения и работать в непрерывном режиме, что существенно облегчает задачу стабилизации. А модуляция излучения осуществляется электрооптическим модулятором, который не влияет на центральную частоту. Электрооптический модулятор представляет собой двулучепреломляющий кристалл (т.е., его коэффициент преломления зависит от направления распространения излучения), к двум граням которого прикладывается модулирующее напряжение. Основная оптическая ось кристалла совпадает с направлением распространения излучения. В качестве рабочего тела модулятора чаще всего используют ниобат лития.(LiNbO3). Этот материал имеет более чем на порядок меньшее управляющее напряжение, нежели используемые ранее дигидрофосфат натрия или калия. Электрооптические модуляторы были созданы достаточно давно, практически одновременно с первыми газовыми лазерами. Однако в то время они не нашли применения, как не нашли применения, из-за большого затухания в атмосфере, и открытые линии, для которых они разрабатывались.

Таким образом, один из вариантов оптической схемы современного передатчика системы DWDM с внешним резонатором лазера выглядит так — рис. 4.

Рис. 4

Кроме того, для увеличения стабильности частоты генерации применяют термостабилизацию активного кристалла и модулятора. Стабилизация температуры с точностью + 0.1°С обеспечивает стабильность длины волны генерации не хуже + 0,01 нм.

Методами интегральной оптики созданы недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, оптический модулятор и полупроводниковый ОУ. Разработаны также оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, независимо генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель.

В целом, завершая этот раздел, можно сказать, что современные оптические передатчики — это не просто кристалл полупроводника с источником питания и радиочастотным модулятором, а сложное устройство с высоколинейным широкополосным усилителем, системами стабилизации периметра резонатора и системой термостабилизации излучателя и модулятора, устройством вывода и формирования выходного излучения. Модуль оптического передатчика с РОС-лазером обычно содержит термоэлектрическое охлаждающее устройство для контроля температуры, датчик температуры, оптический изолятор и фотодиод для контроля уровня мощности.

Лазерный модуль для системы DWDM производства российского предприятия НОВЛАТЕХ (одно из дочерних предприятий бывшего НПО "Полюс") представлен на рис. 5.

Рис. 5