Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

77-30569/352332 Влияние RLC-параметров лазеров на скорость передачи информации мощных оптических передатчиков

# 03, март 2012
Файл статьи: Новиков_P.pdf (736.17Кб)
авторы: Новиков Н. С., Крюкова И. В., Чуковский Н. Н.

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.

Обозначе-ние

Длина внутренних монтажных проводов,  мм

Диаметр внутренних монтажных проводов, мкм

Кол-во внутренних монтажных проводов, шт

длина резонатора, мкм

Д11

2.5

30

1

1000

Д9

1.25

30

1

1000

 

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:
Cб = Cр = 3нФ; Rн = 51 Ом; Rт = 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.

Частота, f, МГц

20

100

150

500

700

1000

Ток, А

ЛИ

Часть

Сопротивление, Ом

90

Д9

Re(Z)

1.953

3.094

4.412

65.300

122.85

75.36

Im(Z)

2.772

13.704

20.825

73.022

-2173

137.17

Д11

Re(Z)

1.607

4.515

7.557

81.199

92.33

60.27

Im(Z)

3.747

16.889

25.009

48.673

1672

168.72

150

Д9

Re(Z)

1.494

2.765

4.255

66.093

116.55

72.07

Im(Z)

2.431

13.684

20.862

76.156

-21862

143.47

Д11

Re(Z)

1.657

4.472

7.450

81.877

90.98

59.028

Im(Z)

3.621

16.887

25.023

48.289

1388

177.3

200

Д9

Re(Z)

1.474

2.79

4.175

67.198

124.22

69.56

Im(Z)

2.370

13.811

20.994

76.630

112359

137.36

Д11

Re(Z)

1.622

4.482

7.434

83.003

90.50

57.82

Im(Z)

3.544

16.885

25.116

47.994

1123.6

177.7

 

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; Rse – 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:

Rт= 100 Ом, Rн = 51 Ом, Сб= Ср = 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:

(6)

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. 

      

Рис. 6.

Глазковые диаграммы, полученные в режиме ПСП, код FastEthernet. Корпус D11; поток 170 Мбит/с; ток 235 мА.

Рис. 7.

Глазковые диаграммы, полученные в режиме ПСП, код FastEthernet.  Корпус D9; поток 300 Мбит/с; ток 230 мА.

 

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.


Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2016 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)