Лазер ила

Рнс. 10.9. Обилие света на границе источник - волокно не всегда играет положительную роль. И лазерные, и светодноды обладают широко расходящимися лучами, и весь свет, излучаемый вне конуса ввода волокна, вносит свой вклад в потери, обусловленные числовой апертурой: 1 - профиль излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной переходу; 2 - конус ввода для волокон со ступенчатым изменением показателя преломления; 3 - свет, излученный под углом, превышающем

а, будет потерян

Угол излученияФ,градугол излучения Ф,град

Рис. 10.10. Современные источники излучения обладают широким разнообразием диаграмм направленности: а - однородные поверхности обычно имеют диаграмму направленности ламбертовского типа; б-источники с гораздо более узкими диаграммами

Следующее соотношение позволяет вычислить потери за счет числовой апертуры в децибелах

Потери ЧА= 10 log -j.(10.13)

10.5.2. ПОТЕРИ ЗА СЧЕТ ОТРАЖЕНИЯ

По сравнению с потерями, обусловленными числовой апертурой, потери за счет отражения пренебрежимо малы. Однако они играют важную роль на стыках волокна. На поверхности раздела воздух - сердцевина изменяется показатель преломления. Коэффициент отражения р определяется отношением мощности падающего излучения к мощности излучения, отраженного сердцевиной.

Потери за счет отражения (О) в децибелах равны

Потери О = 10 log (1 - р).(10.15)

Если показатель преломления сердцевины равен 1,5, отражение составляет 4 %, что эквивалентно потерям приблизительно 0,2 дБ.

10.5.3. ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКУ ИЗЛУЧЕНИЯ

Источник излучения должен обладать максимально возможной мощностью излучения. Характеристика направленности источника должна быть по возможности коллимирована и соответствовать приемному конусу волокна, излучение должно быть близким к монохроматическому во избежание дисперсии в материале. Цифровые системы требуют применения малоинерционных источников сигналов. Аналоговые системы предъявляют требование линейной зависимости оптической мощности от тока или напряжения возбуждения в широком динамическом диапазоне. Для аналоговых систем наиболее удобны светодноды.

Выходная мощность приборов с поверхностным излучением оценивается их энергетической яркостью, т. е. энергией иа единицу телесного, угла (стерадиан) на единичную площадь, Вт/(ср-см2).

Пример. Если энергетическая яркость равна 60 Вт/(ср-см2), диаметр излучающей поверхности 75 мкм, а диаметр сердцевины волокна 50 мкм, то полная мощность, излучаемая в телесном угле 2л, равна

60-2лл (25-10-4)2 = 7,4 1мВт

Если используется ламбертовский источник с полууглом 14°, мощность, вводимая в волокно, определяется как

рв = 7,4 [1 -(cos 14°)2] = 0,43 мВт.

Потери ЧА составляют

10log-- =- 12,3 дБ. 7,4

Важна совместимость источника света и волокна. Стеклянные волокна имеют две области минимального ослабления сигнала: от 800 до 850 нм и 1050 нм (см. рис. 10.7). Широко применяемые светодиоды имеют мощность выходного сигнала около 1 мВт в диапазоне длин волн 800-850 нм. Известны более длинноволновые источники излучения (около 1050 нм), но нх применение ограничено низкой мощностью (от 0,1 до 0,2 мВт). Твердотельные лазерные диоды характеризуются более направленным излучением, чем светодиоды, а потери, обусловленные числовой апертурой, обычно бывают порядка 6 дБ. Выходная мощность составляет от 5 до 10 мВт. Недостатками лазерных диодов являются температурная зависимость выходной мощности и ее нелинейность по отношению к возбуждению.

10.5.4. ПРИЕМНИКИ

В качестве приемников наиболее широко используются лавинные или р-г-п-фотодиоды. Эти диоды преобразуют свет в электрический сигнал, который затем подается на предварительный усилитель. Обычно р-г-п-фотодиод имеет обширную область собственной проводимости между полупроводниковыми областями, легированными примесями р- и п-типов. Фотоны, поглощаемые в области собственной проводимости, создают неравновесный поток носителей, который при приложении разности потенциалов к электродам диода приводит к возникновению во внешней цепи электрического тока. Эффективность процесса преобразования свет - ток определяется квантовым выходом фотодиодов tj, мерой среднего числа электронов, освобождаемых каждым фотоном.

Основным параметром диода является чувствительность ч, А/Вт. Она связана с квантовым выходом выражением

Ч = -.(Ю.16)

Ток сигнала, генерируемый при освещении фотодиода, определяется как

*с=чР,(10.17)

где Р - мощность оптического сигнала, Вт. Обычно максимальная чувствительность р-г-п-фотодиодов меньше 1 А/Вт.

В случаях, когда требуется повышенная чувствительность, применяются лавинные фотодиоды. При использовании лавинных фотодиодов для создания сильного электрического поля, обеспечивающего возникновение лавинного эффекта, используют сравнительно высокие напряжения (300 В). И p-i-n-, и лавинные фотодиоды в цепях приемника включаются с обратным смещением,