Передающие оптические модули.

Оптические передатчики и приемники ВОСП выполняются в виде модулей, в состав которых входят источники и приемники оптического излучения и электрон­ные схемы обработки электрических сигналов.

К источникам оптического излучения предъявляются следую­щие требования:

длина волны излучения должна совпадать с од­ним из минимумов спектральных потерь оптических волокон;

кон­струкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в опти­ческое волокно;

источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы;

габаритные размеры, масса и потребляе­мая мощность должны быть минимальными;

простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроиз­водимость характеристик.

Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП:

- пленарные полупроводниковые;

- волоконные;

- объемные микрооптические (микролазеры).

Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только пленарные полупроводниковые источники светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД) — широко используются в реаль­ных системах. Они работают в диапазоне волн 0,8... 1,6 мкм, ко­торый характеризуется минимальными потерями в ОВ, и позво­ляют вводить в волокно достаточно большую мощность (0,05......2 мВт)..

В СИД оптическое излучение происходит в результате спон­танной эмиссии, когда к области р —л-перехода в полупроводни­ковом материале с прямыми переходами приложено положитель­ное смещение. Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Частота излучения / определяется разностью энергетиче­ских уровней т. е. шириной запрещенной энергетической зоны где —постоянная Планка; с — скорость света в вакууме.

Основными характеристиками источников излучения наряду с шириной спектра излучения являются ватт-амперная характеристика, максимальное значение частоты модуляции, срок службы и надежность.

 

Зависимость мощности излучения от тока инжекции (накач­ки) показана на рис. 8.15. Особенностью этих характеристик яв­ляется практически линейная зависимость Это позволя­ет использовать аналоговые системы передачи для модуляции оп­тического излучения.

На рис. 8.16 приводится спектральное распределение излуче­ния СИД. Как правило, линия излучения для СИД с поверхност­ным излучением имеет примерно гауссовскую форму с шириной до 0,04 мкм при =0,85 мкм, а для СИД торцевого типа 0,09 мкм при =1,3 мкм.

Полупроводниковые лазерные диоды являются когерентными источниками света. В основе их работы лежит спонтанное излу­чение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Умень­шение плотности тока и улучшение других характеристик достиг­нуто за счет использования многослойных полупроводников-гетероструктур с односторонним (ОГС) и двусторонним (ДГС) ог­раничением, в которых удается снизить величину до 1... 2

Если увеличить ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3... 5 мкм. По мере увеличения тока «загораются» все больше таких областей, каждая из которых яв­ляется как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к уве­личению шума, расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие лазерные диоды называются лазера­ми с полосковой геометрией. В них уменьшается до 500 , излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в оптиче­ское волокно с малой числовой апертурой NA, и повысить ста­бильность излучения.

К числу основных характеристик лазерных диодов, определяю­щих возможность их использования в системах связи и передачи информации, относятся: мощность излучения и ее зависимость от тока накачки, диаграмма направленности излучения, спектр из­лучения и срок службы.

Передающий оптический модуль (ПОМ) конструктивно состо­ит из оптической головки и электронной схемы, основным назна­чением которой является модуляция излучаемого света. В опти­ческой головке с СИД размещаются диод и модулятор, а в го­ловке с ЛД — лазер, модулятор, фотодиод обратной связи и элек­тронная схема, с помощью которой стабилизируется режим рабо­ты лазера. Одна из основных задач, которую необходимо решать при разработке ПОМ, — стабилизация выходной мощности полу­проводниковых лазеров.

Приемные оптические модули.

Основным элементом приемных оптических модулей (ПрОМ) является фотодиод, который играет роль фотодетектора. Функция детектора ВОСП сводится к преоб­разованию входного оптического сигнала в электрический, кото­рый затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприемника. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительно шума, т. е. обладать требуемыми широкополосностью, динамическим диапа­зоном и чувствительностью, иметь небольшие, но достаточные размеры для надежного соединения с волокном, быть нечувстви­тельным к изменениям параметров внешней среды, иметь боль­шой срок службы и минимальную стоимость. Наиболее полно ука­занным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фото­диоды.

Принцип действия полупроводникового фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару но­вых носителей заряда — электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переводит его из валентной зоны в зону проводимости или же с примесного уровня в зону проводимости. Такие переходы изменяют электрические ха­рактеристики полупроводника, создавая условия формирования электрических сигналов. Высокое быстродействие и эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связаны с эф­фектом примесного поглощения. По этой причине фотодетекторы для ВОСП в настоящее время выполняются на основе материалов с примесным поглощением. В результате поглощения кванта света с энергией . во внешней цепи диода протекает импульс то­ка. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дыроч­ную пару и носители тока пересекают плоскость р —п перехода, то число носителей N, определяемое отношением мощности опти­ческого излучения Р к энергии кванта , умноженное на вели­чину заряда носителя q, определит средний ток, протекающий че­рез нагрузку :

Как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать ко­эффициентом характеризующим эффективность преобразова­ния фотонов в электрический ток. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора.

Таким образом, в общем случае средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

(8.1)

Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длине волны до 1,8 мкм, из кремния — до 1,2 мкм, из арсенида галлия — до 0,87 мкм.

Основными характеристиками фотодиодов наряду с квантовой эффективностью являются постоянная времени и чувствитель­ность.

Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие и зависит от многих параметров: подвижности но­сителей заряда, ширины обедненной зоны, длины волны света, а также от того, движутся ли носители заряда под действием элек­трического поля или вследствие диффузии. Зная постоянную вре­мени фотоприемника т, можно определить ширину пропускания фотодетектора: Таким образом, чем меньше т, тем больше полоса пропускания.

Постоянная времени фотодиода зависит от времени диффузии и времени перехода обедненной зоны. Поэтому важными парамет­рами являются толщина р-слоев и р —n-перехода. Общая тенден­ция заключается в уменьшении толщины п- и р-областей и увели­чении обедненной области. При этом возрастает также квантовал эффективность.

Чувствительность фотоприемника- это полный КПД преобразо- вания световой мощности в электрический ток (отноше­ние среднего значения фототока к среднему значению оптической мощности): А/Вт. С учетом (8.1) . Отсюда следует, что чувствительность фотоприемника тем выше, чем больше квантовый выход т), т. е. чем больше доля светового потока, по­глощаемая в активной зоне.

Наибольшее распространение в волоконно-оптических систе­мах получили фотодетекторы на основе -фотодиодов (PIN) и лавинные (ЛФД).

На выходе ФД в зависимости от мощности оптического сиг­нала протекает фототок, определяемый выражением (8.1).

В лавинных фотодиодах происходит усиление тока в М раз, его флуктуации также умножаются как минимум в той же мере. В этом случае среднее значение квадрата флуктуации

+

Здесь обозначает усиление переменного тока, определяемое для лавинных фотодиодов выра­жением Коэффициент F учитывает увеличе­ние дробовых шумов из-за нерегулярного характера умножения носителей заряда.

Усиление тока не остается постоянным во времени, а флуктуи­рует в зависимости от вида процесса умножения. При лавинном умножении в фотодиодах флуктуации усиления тока тем значи­тельнее, чем больше усиление. В соответствии с этим дополнительные шумы также возрастают с усилением тока. Для лавин­ных фотодиодов функция F(M) хорошо аппроксимируется сте­пенным законом

 

Показатель экспоненты находится в диа­пазоне х: = 0,4... 1. Для германиевых диодов х=1, в то время как для кремниевых диодов х = 0,5, если в лавинную зону инжекти­руют преимущественно электроны. При инжекции дырок в лавин­ную зону кремниевых диодов показатель экспоненты увеличива­ется до х=1. Таким образом, в оптических приемниках использование фотодиодов приводит к тому, что значение шума зависит от сигнала.

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой со­бранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетекто­ра ( -фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумя­щего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены прин­ципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением фотоде­тектора к усилителю (схема «прямой линии») и с трансимпедансным усили- телем, в котором осуществляется обратная связь через сопротивление

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно из­менять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автомати­ческой регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напря­жение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряже­ние рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения - диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля полу­чается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме — аналоговой или циф­ровой— передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором (рис. 8.23).

Линейные коды ВОСП

К линейным сигналам ВОСП предъявляются следующие тре­бования:

- спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем меньше тре­буется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно уменьшаются мощность шума и его влияние. Ограничение спект­ра сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограниче­ние снизу — флуктуации уровня принимаемого сигнала в электри­ческой части фотоприемника, имеющего цепи развязки по посто­янному току. Минимальное содержание низкочастотных состав­ляющих позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи стабилизации выходной мощности оптического передатчика;

- код линейного сигнала, должен обеспечивать возможность вы­деления колебания тактовой частоты, необходимой для нормаль­ной работы тактовой синхронизации;

- код линейного сигнала должен обладать максимальной поме­хоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих равных условиях максимальную длину участка регенерации;

- код линейного сигнала должен обладать избыточностью, кото­рая позволяет по нарушениям правила образования кота судить о возникновении ошибок;

- код линейного сигнала должен быть простым для практической реализации преобразователей кода.

Для формирования линейных сигналов ВОСП используются блочные коды вида пВтВ, где п означает число кодируемых циф­ровых разрядов, В определяет двоичное основание системы счис­ления исходного кода, т — число передаваемых по ОВ двухуров­невых сигналов, соответствующих п разрядам. Например, 152В обозначает, что один цифровой разряд передается двумя сигна­лами по ОВ и относительная скорость передачи в линейном трак­те в 2 раза выше скорости входных символов.

Наиболее простыми линейными кодами являются так назы­ваемые NRZ-коды (без возвращения к нулю) и RZ-коды (с воз­вращением к нулю). В N'RZ-коде «1» передается импульсами, а «О» — паузой (рис. 8.24, а). В RZ-коде «Ь передается последова­тельностью из импульса и паузы, причем имеет в 2 раза меньшую длительность, а «О», как и раньше, передается паузой (рис. 8.24, б). Нормированные спектры кодов NRZ и RZ показаны на рис. 8.25. Недостатком кода RZ по сравнению с NRZ является необходи­мость использования более широкой полосы передачи из-за при­менения импульсов меньшей длительности, а преимуществом его является то, что источник оптического излучения в этом случае работает в течение меньшего времени и соответственно степень деградации его параметров снижается. Согласно принятому опре­делению RZ-код является примером 1626-сигнала. Недостаток рассмотренных кодов заключается в том, что они не удовлетворя­ют перечисленным требованиям (за исключением последнего пункта), поэтому такие коды могут быть рекомендованы лишь на линиях небольшой протяженности при отсутствии регенерационных участков.

 

Для снижения содержания в спектре сигналов низкочастотных компонент применяют манчестерский, или бифазный, код BIF, в котором «О» передается последовательностью из паузы и им­пульса, а «1» — последовательностью из импульса и паузы, при­чем длительность импульса в 2 раза меньше длительности «1» (рис. 8.24, в). В данном коде отсутствуют подряд более чем два идентичных символа, что определяет снижение в спектре низко­частотных компонент. Такой код также целесообразен при пере­даче в линиях малой протяженности без регенераторов и являет­ся примером 1В2В-сигнала. Пример кода 2ВЗВ приведен на рис. 8.24, г. Алгоритм образования следующий: разряды ОС заменя­ются на 001; 01 на 010; 10 на 100 и 11 на 011. Такой код обеспе­чивает возможность снижения скорости передачи в линии по срав­нению с 1В2В-сигналами.

К общим недостаткам рассмотренных кодов относятся следую­щие: невысокая помехозащищенность, сложности с выделением тактовой частоты, а также с обнаружением ошибки. По этой при­чине коды не могут быть рекомендованы для организации линей­ного тракта ВОСП большой протяженности. Введение корреля­ционных связей между амплитудами передаваемых двухуровневых сигналов позволяет устранять отмеченные недостатки.

Примером сигнала с корреляционными связями является код CMI или код с поочередной инверсией токовых сигналов, времен­ные диаграммы и энергетический спектр которого показаны на рис. 8.24, д и рис. 8.25. Введение корреляционных связей в CMI позволяет обнаруживать ошибки, приводящие к сбою чередова­ния комбинаций 11 и 00 при передаче двоичной 1.

Одной из разновидностей сигналов 1В2В является код Мил­лера (М). Этот код, в котором кодовой посылке 0 бинарного сиг­нала ставится в соответствие кодовое слово 11 или 00, а кодовой посылке 1—01 или 10, причем последовательность нулей исход­ного бинарного сигнала передается чередованием кодовых слов 11 или 00. При других комбинациях посылок бинарного сигнала первая кодовая посылка кодового слова должна быть такой же, как последняя предыдущего кодового слова (рис. 8.24, е и 8.25). Например, бинарная последовательность 01100 передается в ли­нейном тракте последовательностью 1110011100. В результате соседние переходы вида 10 или 01 в линейном сигнале будут на­ходиться не ближе, чем на тактовый интервал Т, и не дальше, чем на 2Т, вследствие чего основная часть энергетического спект­ра линейного сигнала сосредоточена в области ниже тактовой частоты и низкочастотная составляющая энергетического спект­ра оказывается частично подавленной (составляет 30% низко­частотной составляющей бинарного сигнала в формате N:RZ). Контроль за появлением переходов с частотой, большей 1/Т, по­зволяет просто осуществлять оперативный контроль за появлени­ем ошибок в регенераторе.

В качестве перспективных для использования в цифровых во­локонно-оптических системах связи МККТТ предлагает двухуров­невые коды и , где символ IP обо­значает добавление одной балансовой посылки к М бинарным (например, таким образом, чтобы число единиц и нулей в кодо­вом слове всегда было четным или нечетным).

В цифровых ВОСП для первичной ступени ИКМ иерархии це­лесообразно использовать код CMI; для вторичной — CMI и BIF; для третичной — BIF и код Миллера; для более высоких ступе­ней— код Миллера и скремблированный бинарный сигнал в фор­мате NRZ.

Использование многоуровневых кодов по сравнению с двух уровневыми на городских, зоновых и магистральных сетях связи приводит к снижению энергетического потенциала системы на 15...20 дБ. Поэтому многоуровневые коды рекомендуется исполь­зовать во внутриобъектовых линиях связи специального назна­чения.

Оптический ретранслятор.

Передача информации по ОВ ограничивается максимальной мощностью излучения передатчика, затуханием и дисперсией ОВ, а также чувствительностью приемника. Эти обстоятельства на­кладывают ограничения на дальность передачи и объясняют необ­ходимость установки ретрансляторов сигнала через участок опре­деленной длины. Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические, с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным преобразованием.

Оптические ретрансляторы корректируют и усиливают свето­вые сигналы непосредственно, не преобразуя их в электрические.

Они содержат лазерный усилитель (оптический квантовый усили­тель) и нелинейный поглотитель для частичной регенерации све­товых импульсов. Усилитель компенсирует потери передачи сиг­нала в световоде и нелинейном поглотителе, т. е. возвращает све­товым импульсам их первоначальную интенсивность. Нелинейный поглотитель сужает импульсы и тем самым частично компенсиру­ет расширение импульсов и их перекрытие, которое происходит в ОВ из-за дисперсии материала и разброса времени пробега. По­мимо этого он уменьшает уровень шумов и других интерферен­ционных помех, находящихся в стороне от пиков импульсов. В настоящее время ретрансляторы на основе оптических кванто­вых усилителей находятся в стадии проектирования и опытной эксплуатации.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электри­ческий и последующей обработкой и регенерацией сигнала элект­ронными схемами (рис. 8.26). Оптический ретранслятор отличает­ся от регенераторов проводных ЦСП только наличием оптических модулей (ПрОМ и ПОМ). Электронный регенератор (ЭР) содер­жит решающее устройство (РУ), устройство тактовой синхрони­зации (УТС) и формирователь сигналов (ФС).

Процесс регенерации в ЭР происходит следующим образом. Значения передаваемых символов (0 или 1) оцениваются решаю­щим устройством, которое анализирует поступающий сигнал и принимает решение о том, какой символ передается по ОВ. В ре­генераторах при оценке значений символов используется прием методом однократного отсчета, что позволяет при относительно простой реализации получать высокую помехоустойчивость. Вре­менные диаграммы (рис. 8.27) приведены для случая, когда с оконечной ВОСП передается в оптическую линию двухуровневый код с пассивной паузой (рис. 8.27, а). При этом в решающем уст­ройстве периодически с тактовой частотой производится стробирование сигнала на выходе ПрОМ и сравнение полученного отсчета с порогом.

При превышении порога в форми­рователе сигнала формируют­ся импульсы прямоугольной формы с определенной ампли­тудой и длительностью (рис. 8.27, в). Стробирование сигна­ла осуществляется с помощью узких импульсов, которые вы­рабатываются устройством тактовой синхронизации (рис. 8.27,6).

 

При передаче сигналов по ОВ величина ослабления и ис­кажений зависит от длины участка регенерации При увеличении уровень оптического сигнала падает плавно на строительных отрезках ОВ и скач­ком в точках их соединений (рис. 8.28). Для восстановления сиг­нала необходимо, чтобы на входе ЭР уровень сигнала где —минимальный уровень приема оптического излучения, при котором происходит полное восстановление сигнала, т. е. можно записать где — уровень передачи на выходе станции или регенератора; —потери при вводе и выводе излучения в волокно; — потери в разъемных и неразъемных соединениях на длине регенерационного участка. Это выражение удобно записать в виде

(8.2)

где — энергетический потенциал ВОСП. Из (8.2)можно получить значение по затуханию:— Кроме затухания ОВ длина участка регенерации ограничива­ется за счет дисперсионных потерь. Для уменьшения межсимволь­ной интерференции необходимо выполнение неравенства

(8.3)

где В — скорость передачи информации; —среднеквадратическая ширина импульсной характеристики в кабеле длиной Из (8.3) следует, что где —среднеквадратическое уширение импульса в ОВ длиной 1 км. Следовательно, для опре­деления максимальной длины регенерационного участка необхо­димо решить систему неравенств

Расчеты по определению показывают существенные преиму­щества оптических систем передачи, где регенерационные расстояния превышают 100 км. При использовании коаксиальных кабе­лей длина составляет 1,5...6 км.

Следует отметить возможность создания ВОСП, не содержа­щих регенераторы, что объясняется значительным прогрессом в технологии производства активированных оптических волокон и мощных полупроводниковых лазеров. Так, к концу столетия долж­на быть сдана в эксплуатацию трансатлантическая ВОСП про­тяженностью более 6000 км, не содержащая ретрансляционных станций.

Литература: Осн. [4] стр. 4 – 9

Доп. [2] стр. 11-38

Контрольные вопросы:

1.Принципы построения ВОСП