Полупроводниковые лазеры для оптической связи

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ [c.288]

При использовании оптического излучения, распространяющегося в свободном пространстве, число возможных комбинаций источников излучения, фотоприемников и методов модуляции значительно больше, и в гл. 16 приводится краткий обзор некоторых систем связи этого типа. Основное требование для излучателей — высокая интенсивность излучения, а это обычно означает, что требуется использовать лазер. В таком случае возникает необходимость во внешних устройствах модуляции лазерного излучения, если только не применен полупроводниковый лазер. Затухание оптического сигнала на пути [c.28]

Лазерное устройство сигнализации (ЛУС). Устройство предназначено для установления оптической связи между передатчиком и приемником, входящими в систему ЛУС, и для фиксации нарушений этой связи. Оно может быть использовано для сигнализации о превышении габаритных размеров транспортных устройств по сравнению с допустимыми, для охраны различных объектов, территорий и т. д. Устройство выполнено в виде переносных приборов питание может осуществляться от аккумуляторов, батарей и выпрямителей с напряжением 9—12 В. Используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 0,9 мкм. Максимальная дальность связи до 100 м, потребляемая мощность от источника питания менее 1 Вт. [c.319]

Малогабаритная оптическая линия связи. Линия предназначена для телефонной двусторонней связи в пределах оптической видимости в любое время суток. Излучающим элементом служит неохлаждаемый полупроводниковый лазер со средней мощностью излучения 3—6 мВт. Максимальная дальность действия 6 км (при затухании в атмосфере 1,5 дБ/км). Полоса передаваемых частот 300—3400 Гц. Время непрерывной работы не более 12 ч. Оптические оси трех ветвей (приемная, передающая и визирная) совмещены с точностью до Г. Диаграмма направленности излучения составляет от 10 2 до 1° 10. Приемный канал содержит интерференционный светофильтр на длину волны излучения лазера 0,9 мкм с полосой пропускания 250 А. Поле зрения прибора 1—1,5 . Визир состоит из прямой телескопической системы, имеющей восьмикратное увеличение и поле зрения 6—7°. Поворотный механизм позволяет производить плавный поворот прибора на 360°, а по углу места 45°. [c.319]

Для измерения геометрических характеристик линии сварки и самого шва в зоне сварки применяется способ сканирования луча лазерного дальномера вокруг точки сварки. Этот способ адаптивной сварки иллюстрируется рис. 5.18. В качестве излучателя здесь используется полупроводниковый лазер с мощностью импульса от 1 до Ш Вт, работающей в инфракрасном диапазоне. На свариваемые поверхности оптическая система лазера проецирует световое пятно диаметром 0,3 мм. Другая оптическая система воспринимает отраженный луч и фокусирует изображение пятна на фотоприемники прибора с зарядовой связью (ПЗС) с разрешающей способностью порядка 10 мкм. [c.175]

Полупроводниковые лазеры с накачкой инжекцией через гетеропереходы и электронным пучком применяются в лазерной спектроскопии, в оптических линиях связи, для изготовления стандартов частоты, для проекционного лазерного телевидения, для оптической обработки информации. Данные лазеры обладают высоким коэффициентом полезного действия, миниатюрны. [c.513]

В гл. 10 рассматривался принцип работы полупроводниковых лазеров. Цель настоящей главы — более детальное описание некоторых полупроводниковых лазеров, предназначенных для использования в оптических системах связи. Будут рассмотрены их конструкции, электрические и оптические характеристики. Основные требования, предъявляемые к лазерному источнику для связи [c.288]

Характерная особенность упомянутых открытых оптических систем связи заключается в том, что а них используются самые обычные элементы. Успешное развитие таких систем зависит от тщательности разработки конструкции, которая должна удовлетворять конкретным требованиям заказчика. Закончим этот раздел коротким упоминанием о гораздо более совершенных по технологии систе.мах. Имеется в виду экспериментальная система для связи в полевых условиях, разработанная в 1972 г. в США для военных целей. В этой системе используется эффективный лазер на СОг, излучающий на длине волны 10,6 мкм. Были созданы варианты системы, использующие модуляцию как интенсивности, так и частотную, причем в обоих случаях детектирование осуществлялось методом гетеродинирования (с использованием гетеродина и охлаждаемых полупроводниковых фотодетекторов). Эксперименты подтвердили, что может быть получена очень высокая чувствительность оптического приемника, приближающаяся к квантовому пределу. Эти первые системы стали основой для систем спутниковой связи. Отметим, что оптические системы, разработанные для определения дальности, идентификации целей и дистанционного зондирования, используют те же самые методы генерирования, излучения и детектирования оптических сигналов, которые нашли применение в оптической связи. [c.424]

Приведенная структурная схема одинаково пригодна как для аналоговых, так и цифровых систем связи, использующих направленную или открытую передачу оптического излучения. Применение оптических волокон для передачи оптических сигналов позволяет реализовать очень ограниченное число комбинаций разумно сочетаемых источников излучения и фотоприемников различных типов. В качестве излучателей можно назвать полупроводниковые источники излучения, а в качестве фотоприемников — полупроводниковые фотодиоды. Большим достоинством полупроводниковых светодиодов и лазеров как источников излучения является простота осуществления прямой модуляции излучаемой мощности. [c.28]

Широкое использование полупроводниковых лазеров в оптической связи, аппаратуре для записи-считывания с компакт-дисков, лазерных целеуказателж делает весьма актуальной задачу совершенствования соответствуюш,ей оптики. Специфика оптических свойств полупроводниковых лазеров состоит, как известно, в суш,ествеп-ной асимметрии диаграммы направленности излучения, а также в весьма высокой числовой апертуре по одному из сечений пучка. Особую актуальность эта проблема приобретает при построении линий связи с использованием одномодовых волокон. В качестве источников излучения в волоконно-оптических системах связи используются, как правило, лазерные диоды или линейки лазерных диодов видимого или ИК-диапазона. На рис. 6.58 представлен результат измерения распределения интенсивности, формируемого лазерным диодом мощностью 5 мВт и длиной волны 0,67 мкм. [c.463]

В 16.2 показано, что при хороши.х атмосферных-условиях полупроводниковые светодиоды и лазеры пригодны для использования в наземных оптических линиях связи протяжепностью 1..,Ю км. Достой нет в а.ми этих источников излучения является компак ность. легкость, прочность и простота осуществления модуляции. Лля оптических систем связи больп1ей дальности требуются более мощные лазерные источники излучения. Обычно они бывают громоздкими, хрупкими и малоэффективными и требуют сложных и мощных источников питания для их возбуждения и модуляции. Наиболее подходящими для оптической связи считаются два из самых совершепных типов лазеров. Это лазер ма стекле с неодимом. работающий на длине волпы 1,06 мкм или на второй гармонике — 0.53 мкм, и лазер на углекислом газе, работающий на длине волны 10,6 мкм. Время от времени предлагаются и другие лазерные источники, например более коротковолновые лазеры для систем связи между спутниками и подводными лодками. но здесь рассматриваются только два вышеуказанных. Ясно, что их использование приведет к созданию двух различных лазерных систем связи. [c.405]

Портативное лазерное переговорное устройство (ПЛПУ). Устройство предназначено для осуществления оптической двусторонней связи на небольших расстояниях. Для генерации световых импульсов применен полупроводниковый лазер. Комплект ПЛПУ состоит из двух идентичных устройств, в каждое из кото- [c.319]

Появление лазеров вызвало интенсивное развитие методов внутр. М, с., основанных на управлении когерентным излучением за счёт изменения параметров лазера. При этом мы. устройства, применяемые как внеш. модуляторы, номещаются внутри оптического резонатора лазера. Используя разл. способы внутр. модуляции, получают любой вид М. с. амплитудный, частотный, фазовый и поляризационный. Частотой излучения лазера управляют, изменяя добротность оптич. резонатора лазера, напр. менян оптич. длину резонатора. С этой целью одно из зеркал резонатора закрепляют либо на магнитострикционном стержне (см. Магнитострикционный преобразователь), либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект достигается путём изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор, для чего используется электрооптич. кристалл. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду магн. или электрич. полей (см. Зеемана эффект, Штарка эффект), под действием К-рых происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного излучения. Изменяя величину коэф. усиления, получают амплитудную модуляцию излучения лазера. Для этого воздействуют на разность населённостей активной среды, либо изменяя мощность её возбуждения, либо используя всцомогат. возбуждение, приводящее к-перераспределению населённостей. Амплитудная модуляция излучения может быть получена и при помощи модуляции тока разряда газовых или полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме. Одним из методов управления когерентным излучением является модуляция величины обратной связи лазера, т. е. коэф. отражения зеркал резонатора. С этой целью используют резонатор, одно из зеркал к-рого вращается с большой скоростью, и потому условия генерации выполняются лить в короткие промежутки времени. Вместо зеркал часто используют вращающуюся призму полного внутр. отражения. Изменение величины обратной связи можно получить, заменяя одно из зеркал на систему зеркал, образующих интерферометр Фабри — Перо. Коэф. отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, изменяя к-рое можно модулировать интенсивность излучения и получать т. н. гигантские импульсы, мощность излучения в к-рых существенно превосходит мощность непрерывной генерации. Наконец, излучение лазеров также модулируют, изменяя добротность оптич. резонатора путем введения потерь, величина к-рых управляется внеш. сигналом. Для этого используют модуляторы на основе элек- [c.184]

В волоконно-оптических системах связи, работающих на длине волны 1.55 мкм. чтобы уменьшить действие ДГС, можно идти двумя путями. Во-первых, использовать световоды со смещенной дисперсией (см. разд. 1.2.3), в которых длина волны минимальной дисперсии совпадает с длиной волны минимальных потерь. И, во-вторых, использовать полупроводниковые лазеры, работающие преимущественно на одной продольной моде, так чтобы спектральная ширина источника в непрерывной генерации была ниже 100 МГц [21]. Для таких лазеров в уравнении (3.4.2) под W понимается уже ширина спектра импульса. Если гауссовский импульс не имеет частотной модуляции, то В. Тогда из уравнения (3.4.2) следует, что при L=50km ДГС некритична вплоть до скоростей передачи 10 Гбит/с. [c.74]

На рис. 3.9 особенно заметно, что величина произведения BL при отрицательных значениях частотной модуляции С резко падает. Это происходит из-за того, что уширение импульса растет, когда Pj С положительно (см. рис. 3.2). К сожалению, для полупроводниковых лазеров с непосредственной модуляцией, работающих на длине волны 1,55 мкм, С обычно отрицательно и имеет типичную величину около 5-6 [21]. Из рис. 3.9 видно, что для таких значений С BL ограничено величиной < 100 Гбит/(с-км). Поэтому оптические системы связи на длине волны 1,55 мкм часто ограничены дисперсией, даже если в качестве источников используются одномодовые полупроводниковые лазеры. При L = 50 км такие системы могут работать со скоростью В <2 Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости возможно на пути использования либо лазеров без частотной модуляции. либо световодов со смещенной дисперсией. Отметим, что произведение BL максимально при положительном значении С 1, поскольку, когда Р2 С отрицательно, импульс сначала несколько снижается (см. рис. 3.2). Так как С в полупроводниковых лазерах главным образом отрицательно, наилучшее функционирование [c.75]

Использовать солитоны в высокоскоростных линиях связи можно двояко. В первом случае цель довольно скромная солитонный эффект используют для того, чтобы увеличить длину световода (так называемое расстояние между ретрансляторами) по сравнению с расстоянием для линейной системы (малые уровни мощности, отсутствие нелинейных эффектов). Как видно из рис. 5.4, длительность солитона высшего порядка первоначально уменьшается. Начальное сжатие происходит даже при наличии потерь в световоде, и это может скомпенсировать уширение солитона из-за потерь [74]. Поскольку период солитона для 100-пикосекундных импульсов, распространяющихся на длине волны 1,55 мкм, относительно велик (> 500 км), такие импульсы могут распространяться на расстояния 100 км, прежде чем они значительно уширятся по сравнению с начальной длительностью. В работе [73] было предсказано, что расстояние между ретрансляторами можно увеличить более чем в 2 раза, когда пиковая мощность входного импульса достаточна для создания солитонов высшего порядка. Требуемые значения пиковой мощности для передачи импульсов без частотной модуляции со скоростью 8 Гбит/с относительно невелики ( 3 мВт). Так как такой уровень мощности вполне достижим для полупроводниковых лазеров, солитонный эффект легко можно использовать для улучшения работы оптических линий связи. [c.127]

Привлекательным свойством волоконных ВКР-усилителей является широкая полоса усиления (> 5 ТГц). Они могут использоваться для усиления одновременно нескольких каналов в многоканальной системе оптической связи. Это было продемонстрировано в эксперименте [74], где сигналы от трех полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью в диапазоне 1,57-1,58 мкм одновременно усиливались в поле накачки с длиной волны 1,47 мкм. В этом эксперименте излучение накачки было получено от многомодового полупроводникового лазера, что делает данную схему практически применимой для систем оптической связи. При мощности накачки всего 60 мВт было получено усиление 5 дБ. Теоретический анализ двухканального комбинационного усиления показывает, что в общем случае существует взаимодействие между каналами [75]. Широкая полоса усиления волоконных ВКР-усилителей делает их пригодными для усиления коротких оптических импульсов. Усовершенствованию систем оптической связи с помощью комбинационного усиления уделено значительное внимание [76-81]. Наиболее многообещающим кажется использование комбинационного усиления для передачи сверхкоротких солитоноподобных импульсов по световодам длиной несколько тысяч километров [78, 80] (см. разд. 5.4). В эксперименте [79] импульсы длительностью 10 пс на длине волны 1,56 мкм усиливались при накачке непрерывным лазером на центрах окраски с длиной волны 1,46 мкм. Усиление таких коротких импульсов возможно только благодаря широкой полосе ВКР. Недавно в такой схеме было продемонстрировано прохождение солитонов длительностью 55 пс по световоду эффективной длиной 4000 км [81]. [c.232]

Вообще возникновение периодических шумовых пичков в полупроводниковых лазерах с внешним резонатором хорошо известно и используется для активной синхронизации мод и генерации пикосекундных импульсов при модуляции тока питания на частоте основной гармоники шумовых пичков (см. литературу в [20]). Однако описанный метод эффективен только при небольшом превьииении порога. Поэтому в [20] сначала записывалось обращающее зеркало нужной эффективности при большой мошности генерации, а затем она снижалась и в течение медленной релаксации решетки (1 мин) наблюдались Ш1чки с Д 100 пс. Достигнутый результат является чрезвычайно важным и с практической точки зрения в связи со все более широким использованием полупроводниковых лаэеров в линиях связи, оптических процессорах и др. [c.201]

Оптические вычисления, под которыми подразумевают выполняемые оптическими методами операции с дискретными числовыми данными, являются новинкой в долгой истории развития оптической обработки сигналов. Утверждения о том, что оптические методы могут успешно конкурировать и теоретически превзойти по своим возможностям электронные методы обработки данных, впервые привлекли серьезное внимание в середине 1970-х гг. [I, 2], а в последнее время в этом направлении возник настоящий шквал публикаций. Сначала может показаться, что электромагнитные поля оптического диапазона непригодны для реализации цифровой логики, так как они распространяются линейным и непрерывным образом, в то время как поток электронов в цепи может быть просто преобразован в дискретные двоичные уровни. Одпако имеются три свойства оптики, которые делают ее привлекательной для цифровых вычислений. Первое — это широкая полоса частот оптических источников, которая может для полупроводниковых лазеров достигать гигагерц. Второе — это широкая полоса пространственных частот. Двумерная оптическая система может иметь крайне большое число элементов, разрешающих изображение, каждый из которых можно рассматривать как отдельный канал связи, а все они параллельно передают сигнал в одной и той же системе. В случае пекогерентного освещения все разрешающие ячейки оптической системы являются взаимно независимыми. При освещении когерентным светом каналы являются связанными между собой, что приводит к исключительно высокой степени организации межэлементных соединений. Третьей, относящейся к оптическим соединениям, характеристикой является отсутствие интерференции при распространении сигналов, что иногда описывают как возможность пересечения оптических проводов . Два оптических поля могут распространяться друг через друга, не оказывая взаимного влияния. Эти [c.182]

Включение интегральных направленных ответвителей с регулируемой и нерегулируемой связью между волноводами в волоконно-оптические цепи, позволяет реализовать решетчатые волоконно-оптические структуры, которые могут быть использованы для выполнения с высоким быстродействием различных операций во временной и частотных областях, например операций над матрицами и операций фильтрации. Объединяя полупроводниковый лазер с одномодовым световодом и направленным ответвителем, можно создать рециркуляционную линию задержки. В состав рециркуляционной линии задержки с двумя ответвителями входит одномодовый световод, образующий контур с временной задержкой, равной т, замкнутый сам на себя через направленные ответвители. Оптические сигналы, поступившие на вход, многократно циркулируют в контуре и при этом частично попадают на входы. Импульсная характеристика такой системы состоит из ряда спадающих максимумов, равноотстающих друг от друга во времени на величину задержки в контуре т. [c.154]

На основе рис. 4.12 были сделаны оценки вероятных верхних границ рабочих частот сигналов (информационной пропускной способности канала связи), которые могут быть достигнуты при использовании оптических волокон разных типов несколько мегагерц — для полимерных волокон десятки мегагерц — для дешевых стеклянных волокон и жгутов из них сотни мегагерц — для многомодовых кварцевых волокон, возбуждаемых излучением светодиодов и, наконец, гигагерцы или около этого — для градиентных и одномодовых волокон при возбуждении их излучением полупроводниковых лазеров. [c.116]

Поразительные возможности современной полупроводниковой электроники и особенно микроэлектроники реализуются только по мере разработки и освоения выпуска полупроводниковых материалов с разнообразными физическими свойствами. Эти материалы позволили создать на их основе миниатюрные усилители и генераторы электрических сигналов, работающие в широком диапазоне частот интегральные микросхемы для современных компьютеров преобразователи одного вида энергии в другой полупроводниковые светодиоды, лазеры и фотоприемники, работающие в ИК- и видимом диапазонах (полупроводниковые лазеры и фотоприемники — составляющие элементной базы волоконно-оптических линий связи) детекторы излучений и частиц магнитные, пьезо-, сегне-тоэлектрические и многие другие устройства. В то же время открытие новых явлений и потребность создания более совершенных приборов для научных исследований стимулируют поиск, разработку и освоение производства новых материалов с требуемыми свойствами. Между физикой и технологией полупроводников существует тесная взаимосвязь, и часто оказывается, что получение новых физических результатов становится невозможным без постоянного прогресса в технологии. [c.3]

Передающее устройство космического корабля состоит из четырех полупроводниковых лазеров с модулятором и оптического визира, с помощью которого космонавт имеет возможность нацеливать передатчик на наземный лазерный маяк. В декабре 1965 г. эта система связи была испытана американскими космонавтами Ф. Борманом и Дж. Ловеллом при полете на космическом корабле Джеминай-7 . Из четырех попыток установить связь с Землей космонавты только в двух случаях смогли поймать свет лазерного маяка наземные станции не приняли передаваемых космонавтами сигналов. Несмотря на эти неудачи, испытания подтвердили предположения о том, что лазерная система может быть применена для передачи информации. [c.215]

Одним из важных и перспективных направлений применения методов эллипсометрии является разработка новых технологических процессов в полупроводниковом и оптическом приборостроении. Высокая чувствительность поляризационно-оптических методов, а также возможность проведения измерений в защитных средах делают эллипсометрию совершенным средством исследования кинетики кристаллизации пленок на различных подложках. Особый интерес для технологии полупроводников эллипсометрия представляет в связи с возможностью исследования процесса эпитаксиального выращивания. Методы эллипсометрии позволяют проводить исследования влияния различных факторов (температуры подложки, качества ее механической обработки и химической чистоты и т. д.) на характер роста пленки, а также на ее толщину и значение показателя преломления. В работах [15, 166] приведены результаты измерения толщины эпитаксиальных слоев с помощью эллипсометров на основе СО 2-лазера и лазера на парах воды. При этом погрешность измерения составляла соответственно 0,01 и 0,1 мкм. [c.208]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...