Проектирование систем с заданными характеристиками (глава дипломной работы), страница 12

          Большинство световых систем на волне 1,55 мкм используют полупроводниковые лазеры DFB, чтобы решить проблему дисперсии. Можно предположить, что влияния MPN можно избежать полностью, используя DFb лазеры, которые генерируют одну продольную моду. К несчастью, это не происходит, как было обнаружено при многих экспериментах [80] – [83]. Причина в том, что основная мода любого DFb лазера сопровождается несколькими боковыми модами много меньших амплитуд. Одномодовый характер лазеров DFB количественно оценивается отношением подавления мод (MSR), определяемым как отношение мощности основной моды P_m к мощности другой, доминирующей (над остальными) моды P_s. Ясно, что влияние шума разделения мод (MPN) на характеристики системы зависит от MSR. Естественно были предприняты попытки оценить зависимость наказания по мощности (увеличение принимаемой мощности), обусловленного шумом разделения мод (MPN) от MSR [76] – [90].

          Главное различие многомодовых и почти одномодовых полупроводниковых лазеров обусловлено характером статистики флюктуаций при разделении мод [76], [77]. В многомодовом лазере как основная, так и боковые моды, выше порога и их флюктуации хорошо описываются Гауссовской функцией плотности вероятности. В противоположность этому боковые моды в полупроводниковом лазере DFB обычно ниже порога, и связанная с ними оптическая мощность подчиняется экспоненциальному распределению, определяемому [76] как:

                                                                                 (5.4.9)

где  - средняя величина случайной переменной P_s.

          Влияние флюктуаций боковых мод на характеристики системы можно оценить, рассматривая идеальный приемник. Примем, что относительная задержка  между основной и боковой модами является достаточно большой, так что боковая мода оказывается вне временного интервала бита, то есть  или , где  - разность длин волн мод. Решающая схема приемника ошибается, то есть примет «0» за «1», если мощность боковой моды превышает порог решающей схемы, установленной обычно , где  - средняя мощность основной моды. Более того, между двумя модами существует обратная корреляция, так что главная мода уменьшается ниже , как только боковая мода превышает , и общая мощность остается почти постоянной [77]. Таким образом, ошибка возникает даже для бита с символом «1», когда P_s > . Так как оба члена в уравнении (4.5.2) вносят одинаковый вклад, BER определяется соотношением [76]:

                                              (5.4.10)

BER зависит от MSR, определяемое как  и превосходит 10^-9 (вероятность ошибки возрастает), когда MSR < 42.

          Чтобы подсчитать наказание по мощности, вызванное MPN с учетом шума приемника, рекомендуется поступить, как это анализируется в разделе 4.5.1, но добавить член дополнительного шума из-за флюктуации боковой моды. Для приемника с p-i-n фотодиодом получено [77]:

                           (5.4.11)

где Q определяется уравнением (4.5.10).

          В пределе, когда MSR бесконечно велико (боковые моды отсутствуют), уравнение (5.4.11) упрощается до (5.4.10). Рис. 5.9 показывает зависимость BER от наказания по мощности при BER = 10^-9 при разных значениях MSR (увеличения принимаемой мощности). Как и ожидалось, наказание по мощности получается бесконечно большим при BER = 10^-9 (пунктир на рис. 5.9), так как при MSR меньше 42 необходимую величину BER = 10^-9 нельзя реализовать независимо от принимаемой мощности. наказание по мощности можно уменьшить до незначительной величины (< 0,1 дБ) при значениях MSR больше 100 (20 дБ).

          Экспериментальные измерения BER при нескольких опытных передачах [80] – [83] показывают, что BER > 10^-9 может иметь место для DFB лазеров, у которых MSR превышает 30 дБ (в режиме непрерывных колебаний – CW). Причина этого несоответствия (с теоретическими расчетами) в том, что казалось бы хорошие лазеры с точки зрения вероятности генерации боковых мод, в реальных условиях, при включении и выключении, что необходимо для создания потока бит (цифровой информации), имеют меньшее значение MSR. Когда лазер, смещенный ниже порога (генерации), модулируется с высокой скоростью (B ³ 1 Гб/с), вероятность возбуждения боковой моды выше уровня  много больше, чем предсказано уравнением (5.4.9). Значительное внимание было уделено расчету как аналитическому, так и численному (путем моделирования на ЭВМ), вероятности генерации боковых мод в условиях переключения и зависимости такой генерации от различных параметров прибора (лазеров DFB). Был найден такой параметр, названный запасом усиления между основной и боковыми модами. Запас усиления должен превышать критическую величину, которая зависит от скорости в битах. Критическая величина около 5 – 6 см^-1 при скорости 500 Мб/с, но может превышать 15 см^-1 на высоких скоростях в зависимости от токов смещения и модуляции [85]. Критическую роль играет ток смещения. Численное моделирование показывает, что лучшие характеристики достигаются, когда смещение для лазера DFB выбрано близко, но несколько ниже порогового, чтобы избежать явления, называемого «bit-pattern effects” [90]. Более того, влияние шума разделения мод не зависит от скорости в битах, если запас усиления превышает определенную величину. требуемая величина запаса усиления превышает 25 см ^–1 при модуляции со скоростью 5 ГГц. Лазер DFB со сдвигом фазы имеет большой предусмотренный инструкцией встроенный запас и был разработан для этой цели.

5.4.4. Влияние частотного чирпа.

          Наличие частотного чирпа является важным фактором, который, как известно, ограничивает параметры световых систем, работающих на волне 1,55 мкм, даже когда для создания цифрового потока используется лазер DFB с большим подавлением боковых мод (MSR) [91] – [104]. Как показано в разделе 3.3.7, модуляция по интенсивности в полупроводниковых лазерах неизменно сопровождается модуляцией фазы из-за изменения индекса преломления при изменении носителей, характеризуемого коэффициентом увеличения линейной полосы. Оптические импульсы с зависимым от времени фазовым сдвигом называют имеющими чирп. В результате частотного чирпа в оптическом импульсе его спектр значительно расширяется. такое расширение спектра –влияет на форму импульса на выходе волокна из-за дисперсии волокна и является причиной деградации параметров системы.