Komponenty ve vláknové optice

Požadavky, které se kladou na optické zdroje, jsou:

co největší účinnost konverze (přeměny) elektrické energie na energii zářivou;
malé rozměry i váha;
snadná modulovatelnost v širokém rozsahu;
vysoká monochromatičnost, resp. koherence generovaného záření;
generace na vlnových délkách, na kterých je útlum stávajících světlovodů nejmenší;
co nejužší směrová charakteristika vystupujícího záření;
výstupní;
má napojitelnost generovaného záření na vláknové světlovody.

Pro optické informační systémy a systémy optoelektronického zpracování informace se používají čtyři základní typy:

LED (Light Emitting Diode);
elektroluminiscenční diody (ELD);
superluminiscenční (SLD);
LD (Laser Diode) – laserové diody emitující v blízké infračervené (IR – Infra Red) oblasti spektra.

Základním požadavkem je soulad parametrů zdrojů a detektorů záření s vlastnostmi přenosových prostředí (optických vláken).

Elektroluminiscenční diody

Z hlediska provedení se používají dva typy ELD, a to emitující čelně plochou přechodu a emitující hranově z vrstvy, ve které dochází k zářivé rekombinaci. Oba typy umožňují přizpůsobit optické vlákno k optimálnímu navázání optického záření do jádra vlákna.

Infračervené ELD jsou optické zdroje se spontánní emisí, vyvolanou injekcí minoritních nosičů v přechodu PN polarizovaném v přímém směru. Jejich vyzařovací diagram má obvykle tvar širokého kužele. Mají průměr zářící stopy větší než 50 µm a dají se přímo navázat pouze na mnohovidová vlákna. Rovněž mají velmi malou koherenční délku (typ. méně než 30 µm) a špatnou prostorovou koherenci. Používají se v optovláknových přenosových systémech pro nižší rychlosti přenosu (do 100 Mb/s) a na kratší vzdálenosti (LAN). Tyto diody jsou používány rovněž v nekoherentních senzorech. Jejich navázání na mnohovidové vlákno činí menší obtíže než u jednovidových vláken. Jsou mnohem levnější než LD nebo SLD. Struktura přechodu PN, složení materiálu jednotlivých vrstev a navázání optického vlákna vytvářejí řadu variant pro různé vlnové délky. Provedení ELD z hlediska připojení optického vlákna může být buď čelně emitující, nebo hranově emitující. Požadavky z hlediska aplikací jsou zejména na optický výkon při vhodném prostorovém a spektrálním rozložení, možnost rychlé modulace, dostatečná životnost, slučitelnost s integrovanými obvody, malé rozměry a hmotnost. Typické provedení ELD s připojeným vláknem je uvedeno na obrázku 54, kde je tzv. Burrusovo uspořádání, využívající vyleptané jamky k umístění optického vlákna bezprostředně do těsné blízkosti k aktivní vrstvě přechodu. Vlákno je po nastavení maximálního navázaného výkonu zatmeleno v jamce epoxidovou pryskyřicí.

Obr. 64: ELD z GaAs P Burrusova typu

Hranově emitující ELD vysílá záření z hrany oblasti přechodu. Tato struktura se obvykle používá pro diodové lasery, jak bude uvedeno dále. Plošně vyzařující ELD jsou obvykle účinnější než hranově emitující.

Zvýšení optické vazby lze dosáhnout mikročočkami, případně úpravou konce vlákna (viz obr. 58).

Obr. 65: Navázání optického vlákna ELD mkročočkou a úpravou konce vlánka

Laserové diody

Polovodičový injekční laser je polovodičový zesilovač opatřený optickou zpětnou vazbou. Jedná se v podstatě o silně dotovaný přechod PN napájený v přímém směru, vyrobený z polovodičového materiálu s přímým zakázaným pásem. Injekční proud je dostatečně vysoký k zajištění optického zisku. Zpětná vazba je vytvořena zrcadly, která se obvykle získají štípáním polovodičového materiálu podél krystalových ploch. Velký rozdíl indexu lomu mezi krystalem a okolním vzduchem působí, že štěpné plochy fungují jako zrcadla. Krystal polovodiče plní tedy současně i funkci zesilujícího prostředí a rezonátoru. Za předpokladu, že je koeficient zesílení dostatečně vysoký, mění zpětná vazba optický zesilovač na optický oscilátor (laser). Prvek se nazývá polovodičový injekční laser nebo laserová dioda.

Na obrázku 59 je uvedena základní struktura laserové diody (LD) s jednoduchým přechodem PN.

Obr. 66: Struktura LD s jednoduchým přechodem PN

Zpětnou vazbu tvoří obvykle štěpné krystalové plochy, anebo dva leštěné rovnoběžné povrchy krystalu, kolmé k rovině přechodu. Aktivní oblast přechodu PN, zobrazená na obrázku 59 tmavým pruhem, pak také slouží jako optický rezonátor s rovinnými zrcadly, který má délku d a plochu průřezu lw. Pro polovodičové materiály jsou typické velké hodnoty indexu lomu, takže na rozhraní polovodič - vzduch je vysoká reflektivita R = ((n - 1) / (n + 1))². Je-li tedy zisk prostředí dostatečně vysoký, může nespojitost indexu lomu zajistit sama o sobě dostatečnou odrazivost povrchů a není zapotřebí vnějších zrcadel (např. pro GaAs n = 3,6 a R = 0,32). Ztráty v rezonátoru jsou tvořeny jednak částečnou reflexí na površích krystalu, a dále je to únik optické energie mimo aktivní vrstvu (ve směru kolmém k rovině přechodu). Ten může být škodlivý, zejména je-li tloušťka l aktivní oblasti malá. Záření pak postupuje tenkou aktivní vrstvou obklopenou ztrátovým prostředím, takže ztráty jsou značné. Tento problém lze zmírnit použitím dvojité heterostruktury, ve které je střední vrstva vyrobena z materiálu s vyšším indexem lomu, působícím jako vlnovod, do kterého je soustředěna optická energie. Realizace heterostruktury tudíž vyžaduje tři vrstvy různých materiálů s přizpůsobenými mřížkovými konstantami, jak je patrné z obrázku 57: vrstva 1 typu P, vrstva 3 typu N, aktivní vrstva (2) se připravuje zcela tenká (0,1 až 0,2 µm).

Stimulovaná emise nastává v oblasti přechodu PN mezi vrstvami 2 a 3 (oblast inverze leží převážně v oblasti P).

Obr. 67: Energetická pásová struktura a index lomu jako funkce souřadnice pro LD s dvojitou heterostrukturou

Obr. 68: Prostorové rozložení laserového záření ve směru kolmém k rovině přechodu: a) homostrukturní, b) heterostrukturní LD

Detektory optického záření

Fotodetektory měří fotonový tok (optický výkon) tím způsobem, že transformují energii absorbovaných fotonů do měřitelné formy (např. na elektrický proud). Fotoelektrické detektory jsou založeny na vnějším nebo vnitřním fotoelektrickém jevu .

Tyto detektory jsou založeny na vzrůstu elektrické vodivosti v závislosti na dopadajícím zářivém toku. Absorpce fotonu ve vlastním polovodiči má za následek generování volného elektronu z valenčního do vodivostního pásu, přičemž je současně generována díra ve valenčním pásu. Přiložení elektrického pole vede k transportu elektronů i děr materiálem a k následnému vzniku elektrického proudu v elektrickém obvodu detektoru.

Polovodičová dioda jako detektor, představovaná přechodem PN je rovněž založena na absorpci fotonů a následné generaci elektronů a děr, které jsou transportovány lokálním elektrickým polem přechodu, a to opačným směrem, což vyvolá elektrický proud ve vnějším obvodu.

Některé fotodetektory zahrnují vnitřní zesilovací mechanismy, umožňující zesílení generovaného proudu, takže signál je snadněji detekován. Je-li vnitřní elektrické pole v přechodu dostatečně zvýšeno přiložením napětí ve zpětném směru, mohou získat generované nosiče energii dostatečnou k tomu, aby nárazovou ionizací uvolnily další elektrony a díry v této vrstvě. Tyto prvky jsou známy jako lavinové fotodiody (APD – Avalanche Photo Diodes).

Uvedené jevy lze shrnout do třech základních procesů:

generování – fotony generují volné nosiče;
transport – přiložené elektrické pole vede k pohybu těchto nosičů, jehož výsledkem je elektrický proud v obvodu;
zesílení – vysoké elektrické pole v APD dodává nosičům energii dostatečnou k nárazové ionizaci a k dalšímu uvolňování nosičů, čímž se zvýší citlivost fotodetektoru.

Fotodioda PN

Uvažujme ozářený přechod PN polarizovaný ve zpětném směru. Fotony jsou absorbovány s koeficientem absorpce α. V každém místě, ve kterém dojde k absorpci, se generuje pár elektron–díra. Ovšem pouze tam, kde existuje elektrické pole, mohou být nosiče transportovány v určitém směru. Vzhledem k tomu, že elektrické pole v přechodu PN je pouze v ochuzené vrstvě, je potřebné generovat nosiče právě zde.

Páry elektron–díra je možno generovat ve třech oblastech ochuzené vrstvě (oblast 1) driftují působením elektrického pole rychle v opačných směrech elektrony na stranu N a díry na stranu P. Fotoelektrický proud teče v závěrném směru a každý pár generuje elektrický proudový impulz o ploše e (G = 1), neboť v ochuzené vrstvě nedochází k rekombinaci.

Páry elektron–díra, generované daleko od ochuzené vrstvy (oblast 3), nemohou být transportovány, neboť zde není elektrické pole. Náhodně se pohybují, pokud nerekombinují. Nepřispívají tedy k proudu ve vnějším obvodu.

Páry elektron–díra, generované v blízkosti ochuzené vrstvy (oblast 2), se mohou dostat do této vrstvy náhodnou difúzí. Elektron přicházející ze strany P je rychle transportován přes přechod a přispívá tak nábojem e do vnějšího obvodu. Díra přichází z oblasti N a působí opačně.

Obr. 69: Fotony ozářený idealizovaný přechod PN s napětím ve zpětném směru: 1 – driftová oblast, 2 – difúzní oblast

Obr. 70: Detektor optického záření

Fotodioda PIN

Tento typ fotodiody má jako detektor řadu předností oproti fotodiodě PN. Dioda PIN je tvořena přechodem PN, který má vrstvu s vlastní vodivostí (obvykle slabě dotovanou), uzavřenou mezi vrstvy P a N. Na obrázku 64 je průběh energie, rozložení náboje a elektrické pole při zapojení v závěrném směru. Taková struktura slouží k rozšíření oblasti s elektrickým polem, vlastně k rozšíření ochuzené vrstvy.

Fotodiody s PIN strukturou mají následující přednosti:

rozšíření ochuzené vrstvy (ve které se generované nosiče pohybují driftem) zvětšuje plochu, která slouží k zachycování záření;
rozšíření ochuzené vrstvy redukuje kapacitu přechodu a tím i časovou konstantu RC. Na druhé straně se šířkou ochuzené vrstvy roste průletová doba;
snížení poměru mezi difuzní délkou a délkou driftu v diodě vede k většímu podílu té složky fotogenerovaného proudu, dané rychlejším procesem driftu.

Obr 71: Struktura fotodiody PIN, průběh energie elektronu, rozdělení náboje a elektrického pole

Dosažitelné doby časové odezvy v desítkách ps odpovídají frekvenční šířce pásma ≈ 50 GHz.

Lavinové fotodiody

Lavinová fotodioda (APD – Avalanche Photodiode) přeměňuje každý detekovaný foton na kaskádu pohybujících se párů nosičů. Slabý optický signál tak vytváří dostatečný proud, který lze snadno zpracovat elektronickým systémem následujícím za APD. Na fotodiodu je přiloženo vysoké napětí ve zpětném směru, které vytváří silné elektrické pole, kterým jsou nosiče urychlovány a získávají energii postačující k excitaci nových nosičů nárazovou ionizací.

Optické odbočnice

Optické odbočnice jsou síťové prvky, umožňující sdílení optického přenosového média většímu počtu účastníků. Jedná se o pasivní síťové prvky, které provádí pouze rozbočení nebo slučování optického signálu bez jakýchkoliv dalších úprav. Podle typu a technologie výroby mohou pracovat buď v určitém přenosovém pásmu, nebo v celé jeho šířce. V PON pasivních optických sítích systémů FTTH, se jedná o obousměrné pasivní prvky disponující jedním či dvěma vstupními porty a několika (2–32) porty výstupními. V sestupném směru je signál z jednotky OLT přicházející na vstupní port odbočnice rozdělen do požadovaného počtu dílčích signálů, které jsou z výstupních portů distribuovány dále k jednotlivým jednotkám ONT. Ve směru vzestupném odbočnice slučuje signály přicházející od jednotlivých ONT, v jeden signál, jenž je dále distribuován k OLT. Použití odbočnic vkládá do optické trasy útlum, jehož hodnota záleží na počtu výstupních portů. Odbočnice je možno řadit kaskádně v závislosti na topologii sítě. Musíme však dodržovat doporučení ITU-T, které upravují maximální hodnoty vloženého útlumu optické trasy. V optické distribuční síti jsou odbočnice umísťovány zpravidla v distribučních hubech (FDH – Fibre Distribution Hub) či drop terminálech (Drop).

Podle technologie výroby můžeme odbočnice rozdělit do dvou skupin:

PLC (Planar Lightwave Circuit);
FBT (Fused Bionic Taper).

PLC odbočnice jsou vyráběny povrchovou (planární) technologií. Na křemíkovém substrátu je technologickým postupem vytvářena požadovaná dělící struktura. PLC technologie je používána především pro výrobu odbočnic s vyšším počtem výstupních portů.

FBT odbočnice jsou vyráběny spojováním optických vláken při vysoké teplotě a tlaku, kdy se pláště vláken nataví a jádra spojovaných vláken se tak dostanou velmi blízko sebe. Touto technologií se vyrábí svazky 2 až 4 vláken, které se pro dosažení většího počtu výstupních portů řadí kaskádovitě za sebe. Tato technologie je využívána především pro realizaci odbočnic s menším počtem výstupních portů.

Obr 72: Ukázka struktury PLC a FBT odbočnic

Jednotky linkového zakončení

Jednotky linkového zakončení OLT (Optical Line Terminal) zajišťují funkce síťového rozhraní mezi přístupovou sítí a sítí zajišťující telekomunikační služby. Linkové ukončující jednotky OLT jsou umístěny v ústřednách (Central Office) nebo hlavních ústřednách (Head End). OLT jednotky, určené pro distribuci služeb v přístupových EPON sítích, umožňují distribuci služeb, jakými jsou přepínané video IPTV, RF video signál, VoIP telefonie, analogové telefonní linky apod. Jednotky OLT jsou zpravidla vybaveny propracovaným managementem, který umožňuje nastavení mnoha parametrů, jako nastavení služeb QoS pro bezchybný přenos internetové telefonie VoIP a IPTV, správu virtuálních sítí VLAN, nastavení propustnosti apod.

Tyto jednotky mohou být vyráběny v provedení, které je montováno do 19 palcových stojanů či jako samostatné jednotky.

Jednotky síťového zakončení

Jednotky síťového zakončení ONT (Optical Network Terminal) zprostředkovávají funkce účastnického rozhraní mezi koncovými zařízeními uživatelů a přístupovou sítí. Jednotky ONT zpracovávají přicházející optický signál, tedy vydělí z něj jednotlivé vlnové délky, které jsou nositeli příslušných signálů (data, hlas, video signál) a převádí na signál elektrický, který je následně postoupen dalšímu zpracování a přiveden na příslušná výstupní rozhraní ONT. Základem ONT jednotek je v závislosti na počtu vlnových délek diplexor či triplexor. Jedná se o optoelektronická zařízení, která z optického vlákna vydělují jednotlivé vlnové délky optického signálu. Diplexory, potažmo triplexory, jsou většinou konstruovány z diskrétních součástek, jako jsou laserová dioda, foto detektor, optické filtry a optické čočky. Mohou však být také vyrobeny jako čip, kdy jsou veškeré funkční části integrovány na křemíkové destičce.

Výstupní rozhraní jednotek ONT je realizováno (podle typu) jedním nebo několika porty RJ45 pro připojení domácí sítě, porty RJ11 pro připojení analogových telefonních přístrojů a konektorem BNC pro připojení TV. Konstrukční provedení ukončujících síťových jednotek je určeno prostředím, ve kterých budou tyto jednotky instalovány. Mohou být vyrobeny v provedení venkovním, kde jsou instalovány na venkovní zdi domu uživatele. Tyto jednotky pak musejí být navrženy tak, aby splňovaly podmínky provozních teplot alespoň v rozsahu −40 ˚C až +60 ˚C, V provedení vnitřním nejsou požadavky na teplotní odolnost již tak vysoké. Aby nedošlo ke zneužití informací jinou jednotkou ONT, pracující na stejné přístupové optické lince, je provedeno zabezpečení šifrováním dat.