4.2. Источники излучения. Требования к источникам излучения для волоконно-оптических систем

Общие требования к источникам излучения для волоконно-оптических систем связи и измерительных систем можно сформулировать следующим образом:

длина волны излучения источника должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь волоконных световодов;

конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в волоконные световоды;

источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы;

габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными;

простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

Особенности конкретных систем предъявляют ряд специфических требований к характеристикам источников излучения. Весьма жесткими эти требования являются в высокоскоростных системах передачи информации на большие расстояния с использованием одномодовых волоконных световодов и в фазовых воло-конно-оптических датчиках. В первую очередь, речь идет о спектральных характеристиках излучения. Уширение световых импульсов в одномодовых волокнах вследствие дисперсии пропорционально ширине спектра излучения, скорость передачи информации обратно пропорциональна ей. Для заданных скорости передачи длины световода (км), дисперсии первого

порядка в световоде при перекрытии соседних световых импульсов 0,1 верхняя граница ширины спектра излучения источника (в нм) [15]

В фазовых волоконно-оптических датчиках ширина спектра излучения источника и соответствующая ей длина когерентности определяет допустимую разность хода в плечах интерферометра, т. е. требования к точности их выравнивания при изготовлении прибора. При заданном максимально допустимая ширина спектра излучения

где — центральная длина волны в спектре излучения источника Легко реализуемое в приборе значение накладывает жесткие ограничения на ширину спектра источника: нм при мкм Исключение составляют фазовые датчики вращения на кольцевых волоконных интерферометрах (см. п. 3.6), для которых требования к источникам существенно ниже

В перспективных ВОСП с когерентным приемом необходимы источники не только с узким спектром, но и с высокой долговременной стабильностью центральной длины волны Высокая стабильность необходима и в многоканальных системах со спектральным уплотнением, если спектральный интервал между соседними каналами невелик

Естественно, что в высокоскоростных системах передачи значительные требования предъявляются и к динамическим характеристикам источников света Удобнее всего использовать источники, допускающие прямую модуляцию интенсивности, частоты или фазы излучения без существенных изменений других параметров (модового состава, диаграммы направленности), появления самопульсаций и т. д.

Существенно ниже требования к характеристикам источников света, предназначенным для использования в системах передачи данных на небольшие расстояния с относительно малой скоростью: внутриобъектовых системах, сетях ЭВМ и т. п., а также в измерительных системах на амплитудных волоконно-оптических датчиках. В этих системах, как правило, используются волоконные световоды со ступенчатым профилем показателя преломления, у которых кварцевая сердцевина заключена в полимерную оболочку, или изготовленные на основе многокомпонентных стекол. Полоса пропускания частот определяется межмодовой дисперсией световодов, так что использование когерентных источников теряет смысл Более того, в амплитудных датчиках, особенно в датчиках разрывного типа, когерентность излучения повышает уровень шумов и тем самым увеличивает порог чувствительности прибора.

Вызвано это тем, что при прохождении когерентного света по многомодовому волоконному световоду на торце его в результате интерференции многих мод образуется спекл-структура, чрезвычайно чувствительная к внешним воздействиям (давлению, температуре, кручениям, изгибам). Выделение на чувствительном элементе датчика (шторке, решетке, торце выходного световода) части изменяющейся спекл-структуры приводит к появлению дополнительных (так называемых ««модовых») шумов (см. п. 3.4). В этой связи целесообразно использование в амплитудных ВОД источников излучения с длиной когерентности меньшей, чем минимальная разность хода между модами световода.

Источники излучения с прямой модуляцией для аналоговых систем передачи информации должны в широком динамическом диапазоне иметь линейный отклик на модулирующий сигнал.

В настоящее время можно рассматривать три класса источников излучения для волоконно-оптических систем: планарные полупроводниковые, волоконные и объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники — светоизлучающие диоды и лазеры — широко используются в реальных системах. Волоконные лазеры, несмотря на целый ряд достоинств, не вышли из стадии исследований, это же касается и объемных микролазеров, область возможного применения которых значительно уже. Интенсивное развитие полупроводниковых источников света связано, в первую очередь, с уникальным сочетанием важных для световодных систем положительных свойств, таких как непосредственное преобразование энергии электрического тока в световое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малый вес и габаритные размеры.