CC BY
58
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0408_
Влияние RLC-параметров лазеров на скорость передачи информации мощных оптических передатчиков
77-30569/352332 # 03, март 2012
Новиков Н. С., Крюкова И. В., Чуковский Н. Н.
УДК.681.783;68.137
МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected] [email protected] [email protected]
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 GaAlAs типа 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
_9 _з
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- Длина Диаметр Кол-во длина
ние внутренних внутренних внутренних резонатора, мкм
монтажных монтажных монтажных
проводов, мм проводов, мкм проводов, шт
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 КЮ-параметрах лазера, однако в настоящее время производители мощных инжекционных лазеров не указывают не только КЮ-параметры своих излучателей, но даже полное сопротивление. В связи с этим была разработана новая методика измерения полного сопротивления ЛИ и оценки значений «паразитных» КЬС-параметров.
Измерения полного сопротивления проводились с помощью векторного анализатора цепей Е8362В фирмы ДдНеП на частотах от 20 до 1000 МГц на стенде, схематическое изображение которого приведено на рисунке 1.
Рис. 1. Схема измерения полных сопротивлений ЛИ. Здесь: Сб = Ср = 3нФ; Кн = 51 Ом; Кт = 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 КЬС-параметров лазеров.
Таблица 2.
Измеренные значения составляющих полных сопротивлений ЛИ Д9 и Д11.
Частота, ^ МГц 20 100 150 500 700 1000
Ток, А ЛИ Часть Сопротивление, Ом
90 Д9 Ке(2) 1.953 3.094 4.412 65.300 122.85 75.36
1т(2) 2.772 13.704 20.825 73.022 -2173 137.17
Д11 Ке(2) 1.607 4.515 7.557 81.199 92.33 60.27
1т(2) 3.747 16.889 25.009 48.673 1672 168.72
150 Д9 Ке(2) 1.494 2.765 4.255 66.093 116.55 72.07
1т(2) 2.431 13.684 20.862 76.156 -21862 143.47
Д11 Ке(2) 1.657 4.472 7.450 81.877 90.98 59.028
1т(2) 3.621 16.887 25.023 48.289 1388 177.3
200 Д9 1.474 2.79 4.175 67.198 124.22 69.56
1т(2) 2.370 13.811 20.994 76.630 112359 137.36
Д11 к*2) 1.622 4.482 7.434 83.003 90.50 57.82
1т(2) 3.544 16.885 25.116 47.994 1123.6 177.7
Для нахождения точных значений КЬС параметров был разработан новый метод. Для этого было необходимо:
1) Составить электрическую КЬС-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
• Схемы замещения чипа ЛД (собственного лазера).
• Схемы замещения корпуса ЛИ.
На рисунке 2 приведена схема замещения ЛИ, где обозначено:
• 7лд(ш) - комплексное сопротивление чипа ЛД
• 7ли(ш) - комплексное сопротивление ЛИ
Рис. 2. Схема замещения ЛИ.
Здесь: С - диффузионная ёмкость чипа; К - сопротивление чипа; Ь -индуктивность чипа, обусловленная спонтанным излучением; Кзе - сопротивление чипа, обусловленная спонтанным излучением.
Ь и С резонируют, 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: Кк, Ьв, Ск. Дальнейший расчет паразитных КЬС-параметров ЛИ был произведен с учетом элементов тестовой платы.
2 схем:
*
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 1_м -индуктивность соединительной линии (сотни нГн). Параметры измерительной схемы известны:
Кт= 100 Ом, К = 51 Ом, Сб= Ср = 1 нФ,
Полное сопротивление цепи Z(w), изображенной рисунке 3, и её составляющих составит (формулы 1 - 5):
2ЛдМ =
]■(!}■ с
(1)
(4)
Составим систему уравнений:
й, С, 1,Пзе, йк, ¿в, Ск, См) = ЯеЕ^со^ + ] ■ ГтЕ^ь^) Д, С, Язе, Д к, £в, Ск, См) = Д е22 (ы2) + ] ■ 1т22 Д, С, Ь,В.зе, Дк,£в, Ск,См) = Ле2э(шэ) + ] ■ /гп2э(ш3) И, С, I, йж,Як, £в, Ск, См) = Де£4((ы4) + ■/т24(йл4) Д, С, Дж, Дк, ¿в, Ск, См) = Де£5((ы5) + у ■ /тп^5((У5) Д, С, Дж, Д к, ¿в, Ск, См) = Д+ ] ■
(6)
Значения 1т2[, возьмем из таблицы 2.
Я С 1 С к - 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.
Рассчитанные значения КЬС - параметров.
Таблица 3.
л
о.
н ф го
2 го о. с ^ т
го
с
л о. н Ф 3 го о. го С
Ток 90 мА 150 мА 200 мА
Диод 9 мм 11 мм 9 мм 11 мм 9 мм 11 мм
Я, Ом 1 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
1., пГн 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5
С, нФ 3 3 3 3 3 3
Нее, Ом 0.2 0.2 0.18 0.2 0.18 0.2
Як, Ом 1.5 1.35 1.3 1.4 1.35 1.4
/.в, нГн 11 17 12 17.3 11.1 17
Ск, пФ 75 210 81 185 78 200
См, пФ 3.3 4.7 3.1 4.8 3.2 4.7
Из таблицы видно, что уменьшение корпуса привело к уменьшению КЬС-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.
-* / и 35 1л + ОС 10 V \ - \ ИМ См ~ / + 1-е : 1 Кк Г ] == + 1 И Кзе Ск -
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 обеспечить скорость около 600 Мбит/с. Существенное
расширение полосы модуляции у ЛИ Д9 по сравнению с Д11 подтверждает предположение о значительном влиянии «паразитных» КЮ-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 й9; 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 КЬС параметры корпуса, определяемые его размерами. Впервые предложена методика измерения и расчёта КЬС 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 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 приёмопередающего 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 GaAAs 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.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
_EL № KS 77 - 3Ü56'». .V;II421100025, ISSN 1994-jMOg_
Influence of RLC laser parameters on data transmission speed in high-power optical transmitters
77-30569/352332 # 03, March 2012
Novikov N.S., Kryukova I.V., Chukovskii N.N.
Bauman Moscow State Technical University wanderer [email protected] [email protected] [email protected]
This article describes a method of increasing the data transmission speed in open optical communication lines, namely the method of increasing the current modulation frequency of a powerful semiconductor laser. In this paper it is shown how the laser case influences the speed of data transmission; the advantage in transmission speed when using the laser in a smaller package is also shown. The authors propose new methods of measurement and calculation of the RLC laser emitter parameters; equations for calculation of the RLC-parameters with known values of the impedance, as well as the calculated values of RLC parameters for two investigated lasers are also given in the article. Quantitative estimations of the influence of RLC parameters on the bandwidth of the laser are included in the conclusion.
Publications with keywords: space communications, semiconductor lasers, optical transmitters, optical link, the modulation of lasers
Publications with words: space communications, semiconductor lasers, optical transmitters, optical link, the modulation of lasers
References
1. Kriukova I.V., e.a. Razrabotka shirokopolosnogo opticheskogo priemo-peredaiushchego kanala na 622 Mbit/s dlia mezhsputnikovoi sviazi [The development of a broadband optical transceiving channel at 622 Mbit/s for inter-satellite communications]. «Lazery v nauke, tekhnike, meditsine» (Lazery-2005). Proc. 16Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. ["Lasers in Science, Engineering, Medicine" (Lasers-2005). Proc. 16th Int. Sci.-Tech. Conf.]. Moscow, 2005, pp. 17-23.
2. Kriukova I.V., e.a. Novye tekhnologicheskie i konstruktivnye metody povysheniia moshchnosti izluchatelei i skorosti peredachi informatsii v opticheskom peredatchike na osnove lazerov GaAlAs dlia MOLS [New technology and design techniques to increase the power of
transmitters and speed of information transmission in the optical transmitter, based on GaAlAs
rd
lasers for the IOCL]. «Sputnikovaia sviaz'». 3 Mezhdunar. konf. ["Satellite communication". 3 Int. Conf.]. Moscow, 1998, vol. 1, pp. 173-175.
3. Tsang W., ed. Poluprovodnikovye inzhektsionnye lazery. Dinamika, moduliatsiia, spektry (Transl. from Engl.) [Semiconductor injection lasers. Dynamics, modulation, spectra]. Moscow, Radio i sviaz' Publ., 1990.
