НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК.681.783;68.137

МГТУ им. Н.Э. Баумана

wanderer_86@mail.ru

k-irina-v35@yandex.ru

chuk@bmstu.ru

В статье рассматривается один из путей увеличения скорости передачи цифровой информации оптического передатчика межспутниковой линии связи. Передатчик работает в диапазоне 0,8 – 0,9 мкм с импульсно-кодовой модуляцией по интенсивности и построен на основе одномодового полупроводникового лазерного излучателя (ЛИ) на GaAlAsтипа ИЛПН-232 разработки НИИ «Полюс» им М.Ф. Стельмаха. Передатчик обеспечивал скорость 155 – 170 Мбит/с при мощности в импульсе 150 мВт и при токе накачки 250 мА. Однако при попытках увеличить скорость передачи информации до 300 Мбит/с вероятность ошибки на один бит информации увеличивалась с 10^–9  до 10^–3.

Было выдвинуто предположение, что одной из причин этого явления является неоптимальная конструкция корпуса ЛИ, в частности, большие значения его RLC - паразитных параметров. Для их уменьшения было принято решение использовать малогабаритный корпус, в котором размещались те же квантоворазмерные структуры GaAlAs, что и в стандартных корпусах (Д 11.4 мм)  ИЛПН-232.

Новый корпус (Д9 мм) изготовлен в НИИ "Полюс", он является близким аналогом корпуса фирмы SDL типа G. Диаметр посадочной поверхности уменьшился до 9 мм, диаметр корпуса  - до 6,7 мм высота – до 4 мм.  Конструктивные параметры диодов ИЛПН-232 в разных корпусах приведены в таблице 1.

Таблица 1. 

Конструктивные параметры Д11 и Д9.

Был разработан и испытан модулятор полупроводникового лазера (драйвер). Испытания этого модулятора проводились с одним  чипом полупроводникового лазера ИЛПН-232, но в различных корпусах. Корпус Д11 имел расчетную индуктивность вводов 12 нГ, а корпус Д9 -  соответственно 6 нГ. Работа схемы описана в статье [1].

Основное внимание при отработке данной концепции было уделено доработке конструкции лазера в части уменьшения его паразитной индуктивности, поскольку она определяет длительность фронтов импульсов излучения при больших токах модуляции (0,15-0,25 А). В результате определенных технологических и конструктивных изменений удалось обеспечить суммарную индуктивность вводов (вместе с монтажом) на уровне 9-10 нГ.

Расчеты, проведенные ранее [2], показали потенциальную возможность повысить частоту модуляции мощных инжекционных лазеров производства НИИ «Полюс» до величин порядка 800 – 900 МГц, однако приблизиться к этому значению не удалось. Это  объясняется несогласованностью лазера с драйвером. Но для обеспечения согласования необходимо обладать информацией об RLC-параметрах лазера, однако в настоящее время производители мощных инжекционных лазеров не указывают не только RLC-параметры своих излучателей, но даже полное сопротивление. В связи с этим была разработана новая методика измерения полного сопротивления ЛИ и оценки значений «паразитных» RLС-параметров.

Измерения полного сопротивления проводились с помощью векторного анализатора цепей E8362Bфирмы Agilentна частотах от 20 до 1000 МГц на стенде, схематическое изображение которого приведено на рисунке 1.

Рис. 1. Схема измерения полных сопротивлений ЛИ.
Здесь: C_б = C_р = 3нФ; R_н = 51 Ом; R_т = 100 Ом.

Измеренные значения активных и реактивных составляющих полных сопротивлений ЛИ сведены в таблицу 2. Они потребуются нам в дальнейшем для решения системы уравнений относительно RLC-параметров лазеров.

Таблица 2.

Измеренные  значения составляющих полных сопротивлений ЛИ Д9 и Д11.

Для нахождения точных значений RLC параметров был разработан новый метод. Для этого было необходимо:

1)      Составить электрическую RLC-цепь, которая бы наиболее точно описывала электрические свойства ЛИ – то есть составить адекватную математическую модель замещения ЛИ.

2)      Оценить параметры элементов в полученной модели.

3)      Составить систему уравнений, описывающих модель лазера.

4)      Решить систему уравнений, описывающих полученную модель.

Анализ литературы [3] показал, что схема замещения ЛИ складывается из 2 схем:

·       Схемы замещения чипа ЛД (собственного лазера).

·       Схемы замещения корпуса ЛИ.

На рисунке 2 приведена схема замещения ЛИ, где обозначено:

·       Zлд(ω) – комплексное сопротивление чипа ЛД

·       Zли(ω) - комплексное сопротивление ЛИ 

Рис. 2.  Схема замещения ЛИ.
Здесь: C – диффузионная ёмкость чипа; R – сопротивление чипа; L– индуктивность чипа, обусловленная спонтанным излучением; R_se – сопротивление чипа, обусловленная спонтанным излучением.

L и Cрезонируют, но частота резонанса лежит на порядок выше частот, на которых мы проводим измерения. Поэтому он на АЧХ цепи влияния не оказывает.

Оценим значения «паразитных» элементов корпуса: Rк, Lв, Cк. Дальнейший расчет паразитных RLC-параметров ЛИ был произведен с учетом элементов тестовой платы.

Для того, чтобы составить систему уравнения, составим эквивалентную схему измеряемой цепи (рисунок 3).

Рисунок 3 - Эквивалентная схема измеряемой цепи.

Емкость См, монтажная емкость (несколько пФ). Индуктивность Lм – индуктивность соединительной линии (сотни нГн). Параметры измерительной схемы известны:

R_т= 100 Ом, R_н = 51 Ом, С_б= С_р = 1 нФ,

Полное сопротивление цепи Z(ω), изображенной рисунке 3, и её составляющих  составит (формулы 1 – 5):

(1)

                  (2)

                            (3)

       (4)

                        (5)

Составим систему уравнений:

Значения , , , возьмем из таблицы 2.

 – неизвестные величины. Тот факт, что неизвестных величин больше числа уравнений, не станет нам помехой, так как 6 комплексных уравнений распадается на 12 действительных. Полученная система решалась численными методами, в качестве начальных приближений искомых величин были использованы их оценки. Решения системы уравнений (6) для разных токов и диодов Д9 и Д11 представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Рассчитанные значения RLC – параметров.

Из таблицы видно, что уменьшение корпуса привело к уменьшению RLC-параметров лазера (зеленым обведены лучшие результаты). Поскольку в излучателях Д11 и Д9 установлены одинаковые чипы, параметры чипов практически неизменны.

Частотную характеристику ЛИ целесообразно получить при подключении ЛИ к драйверу, что соответствует реальному режиму работы. В этом случае эквивалентная схема для расчёта ЧХ ЛИ будет иметь вид, изображенный на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема моделирования ЧХ.

Поскольку в рамках данной работы измерение внутреннего сопротивления драйвера не проводилось, по оценкам оно составило 35 Ом (активных).

На рисунке 5 изображены рассчитанные ЧХ лазерных излучателей - Д9 и Д11. 

Рисунок 5. Рассчитанные АЧХ ЛИ Д9 и Д11

Из рисунка 5 видно, что по уровню -3 дБ верхние частоты полосы пропускания составляют 128 МГц (для диода 11мм) и 293 МГц (для диода 9 мм). Эти данные подтверждают невозможность получить на ЛИ Д11 скорость передачи данных даже 300 Мбит/с. С помощью ЛИ Д9 возможно, при использовании кодирования NRZ, обеспечить скорость около 600 Мбит/с. Существенное расширение полосы модуляции у ЛИ Д9 по сравнению с Д11 подтверждает предположение о значительном  влиянии «паразитных» RLC-параметров ЛИ на скорость передачи информации.

На рисунках 6 и 7 приведены «глазковые» диаграммы импульсов излучения  лазера в обоих типах корпуса лазера. Если у диода Д11 длительность заднего фронта для больших импульсных токов составляла примерно 3 нс, то у диода Д9 с меньшей емкостью она снизилась в два раза, что совпадает с расчетом. 

Промежуточные результаты моделирования схемы с рисунка 4 (ЛИ диаметром 9 мм) показывают:

·       На АЧХ ЛИ наибольший вклад оказывает индуктивность вводов. Увеличение индуктивности выводов с 5 нГн до 15 нГн приводит к уменьшению полосы пропускания по уровню – 3 Дб на 80 МГц.

·       Увеличение емкости корпуса от 50 пФ до 150 пФ приводит к уменьшению полосы пропускания по уровню – 3 Дб на 60 МГц.

·       Уменьшение контактного сопротивления с 1.5 Ом до 1 Ом приводит к увеличению полосы пропускания по уровню – 3 Дб на 40 МГц.

·       Увеличение монтажной емкости от 2 пФ до 5 пФ приводит к уменьшению полосы пропускания по уровню – 3 Дб  на 35 МГц.

Анализ вышеприведенных данных показывает, что для дальнейшего увеличения полосы модуляции ЛИ, а следовательно и скорости передачи информации, необходимо:

·       Уменьшать индуктивность вводов – увеличивать диаметр подводящих проводников, уменьшать их длину. Радикальный метод – в качестве токоподводящего контакта использовать полосковый ввод.

·       Уменьшать контактное сопротивление – увеличивать число токоподводящих к чипу проводников.

·       Уменьшать емкость корпуса – уменьшать размеры корпуса.

Выводы и заключение.

В работе показано, что на полосу модуляции мощных полупроводниковых одномодовых лазеров основное влияние оказывают паразитные RLCпараметры корпуса, определяемые его размерами. Впервые предложена методика измерения и расчёта RLC параметров и проверена на образцах ЛИ. Оценён вклад составляющих паразитных параметров корпуса в ширину полосы модуляции. Наибольший вклад даёт индуктивность выводов.

В результате было предложено заменить у мощного лазера ИЛПН – 232 (НИИ «Полюс») корпус диаметра 11 мм на меньший – 9 мм, что привело к расширению полосы модуляции со 130 МГц до 290 МГц и, соответственно, скорости передачи ИКМ сигнала с кодировкой NRZ с 250 Мбит/с до 600 Мбит/с.

Авторы приносят благодарность В.В.Поповичеву  из НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха за представленные лазеры.

Литература

1.    Крюкова И.В. [и др]. Разработка широкополосного оптического приёмо-передающего канала на 622 Мбит/с для межспутниковой связи.// Сб. научных трудов XVI Международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине. М. 2005г. С. 17-23.

2.    Крюкова И.В. [и др.]/ Новые технологические и конструктивные методы повышения мощности излучателей и скорости передачи информации в оптическом передатчике на основе лазеров GaAlAs для МОЛС. // «3-я Международная конференция» Спутниковая связь». М. 1998 г. т. 1.С. 173-175.

3.    Полупроводниковые инжекционные лазеры. Динамика, модуляция, спектры. Под ред. У. Тсанга.  М.: Радио и связь. 1990. С. 164-169.