Мультиплексори, демультиплексори та делителі міцності.

Оптические мультиплексоры предназначены для объединения оптических сигналов, передаваемых на нескольких длинах волн. Основными их функциональными элементами являются частотно-селективные элементы:

1) дифракционные решетки (рис. а) представляют собой систе­мы с большим числом профилированных штрихов, обеспечивающих концентрацию энергии, которая отражается от решетки, в направле­нии главного максимума. С помощью дифракционных решеток обеспечи­вается параллельное разделение (объединение) несущих.

2) Интерференционные фильтры (рис. б) состоят из набора тонких диэлектрических слоев, который (в результате суперпозиции) является прозрачным для одних частот и непрозрач­ным — для других; посредством интерфе­ренционных фильтров выполняется последовательное объединение несущих.

 

3) Призма (рис. в) 4) Поглощающие фильтры (рис. г)

 

На рисунках (а,б,в,г): 1-градиентная цилиндрическая линза; 2-дифракционная решетка; 3-хроматический фильтр; 4-призма; 5-отражающее покрытие; 6-селективные фотодетекторы.

Демультиплексор. Параллельное разделение возможно осуществить как для малого так и для большого. Параллельные делители представляют собой мини спектрометры. Такое устройство представлено на рис. 1. Последовательное разделение применяется при небольшом количестве каналов так как с увеличением их количества пропорционально увеличивается число элементов схемы (светофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусующих элементов) и соответственно растут потери на излучение.

Оптические делители мощности

Неселективные разветвители подразделяются на два основных типа- Т-образные, построенные по принципу ответвления оконечных устройств от главного ствола линии (рис. 1а) и звездообразные (рис.1б). Потери при разделении мощности излучения в системе с Т-образными соединителями возрастают пропорционально числу абонентов, а в системе с звездообразными ответвителями пропорционально логарифму числа оконечных устройств. Поэтому необходимо применять в системах с большим числом абонентов звездообразные соединительные устройства.

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы – биконические, в которых излучение передается через боковую поверхность, и торцевые, в которых излучение передается через торец. В обеих группах передача излучения может осуществляться либо при непосредственном контакте ВС, либо через вспомогательные элементы – зеркала, линзы, смесители.

 

В биконических разветвителях свет может быть извлечен через боковую поверхность при преобразовании направляемой моды в моду излучения или при связи со вторым ВС через исчезающее поле (рис.2). Биконические разветвители легко изготовить, однако они обладают плохой воспроизводимостью параметров (вносимые потери – 0,2..1дБ).

Рис.3 Разветвитель торцевого типа: 1- входной ВС; 2,3,4-выходные ВС.

Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных ВС непосредственно состыковываются с торцом входного ВС и закрепляются каким-либо механическим способом или заливаются капли клея. Изменяя взаимное положение торцов ВС и подбирая их поперечное сечение (рис.3), можно изменять в широких пределах отношение мощностей в разных выходных каналах (вносимые потери составляют 0,3..1.2дБ). Для их уменьшения, а также для снижения возбуждения мод оболочки стравливают или сошлифовывают.

 

 

 

43. Розрахунок довжини регенераційних участків.

Длина регенерационного участка для выбранной аппаратуры передачи и заданном качестве связи определяется харак­теристиками оптического кабеля: затуханием и дисперсией. Зату­хание лимитирует длину участка по потерям в тракте передачи. Дисперсия приводит к расширению передаваемых импульсов, в результате чего сигнал на приеме получается размытым, искажен­ным (рис. 6,5). Причем с увеличением длины линии сигнал иска­жается больше.

Характеристики передачи оптической кабельной линии показа­ны на рис. 6.6. С ростом расстояния от начала регенерационного участка уровень оптического сигнала p_пр падает плавно на отрезках кабеля и скачками в точках соединений. Мощность сигна­ла на входе фотоприемника должна превышать заданную мини­мально допустимую мощность p_{пр доп}, при которой обеспечивается требуемое качество связи, т. е. вероятность ошибки при ИКМ. Указанная мощность p_{пр доп} может быть рассчитана и зависит от типа приемника, уровня шума, вида линейного сигнала, заданной вероятности ошибки.

Обозначив уровень сигнала на входе р_пер, получим

p_пер - a_с - n_pa_p – n_нa_н - aL ³ p_{пр доп} (6.1)

где a_с - потери при вводе и выводе излучения в волокно; a_p и a_н - потери в разъемных и неразъемных соединениях отрезков кабеля; n_p и n_н - число разъемных и неразъемных соединений на длине L; L — длина регенерационного участка.

Соотношение (6.1) удобно представить в виде

aL + n_pa_p + n_нa_н £ Q, (6.2)

где Q = p_пер - a_с - p_{пр доп} - так называемый энергетический по­тенциал аппаратуры

 

Рис. 6.6. Определение длины регенерационного участка

Рис 6.7. Длины регенерационных участков оптических и коаксиальных кабелей

Из (6.2) получаем длину регенерационного участка по зату­ханию. С другой стороны, длина регенерационного участка, как сказано ранее, ограничивается дисперсионными искажениями в оптическом кабеле.

Для уменьшения межсимвольной интерференции необходимо, чтобы выполнялось следующее условие

В £ 0,25/s, (6.3)

где В — скорость передачи информации; s - среднеквадратичная ширина импульсной характеристики в кабеле длиной L км. Из равенства (6.3) следует, что длина регенерационного участка

L£ 0,25/s₀В (6.4)

Целью расчета является определение максимальной длины регенерационного участка L при условии одновременного выполне­ния неравенств (6.2) и (6.4).

На рис. 6.7 приведены значения допустимых расстояний между регенераторами в оптических системах передачи (ОК) и при пере­даче по коаксиальному кабелю (КК). Графики иллюстрируют су­щественные преимущества оптической связи. В коаксиальных кабелях регенерационные участки составляют 1,5—6 км, а в опти­ческих кабелях — 10—30 км.

44. Джерела випромінювання ВС. Параметри світловипромінювальних діодів та лазерів.

К базовым элементам ВОЛС относятся источники оптического излучения. При­менение тех или других источников из­лучения в ВОЛС обусловливается их на­дежностью, технологической интеграци­ей с другими компонентами, микроми­ниатюризацией, реализацией одномодового режима генерации в широком диапа­зоне рабочих мощностей, высоким бы­стродействием.

Наилучшим образом этим условиям соответствуют полупроводниковые ис­точники излучения — светоизлучающие диоды (СИД) и инжекционные лазеры (ИЛ). Они и представляют собой основ­ной вид излучателей в волоконно-опти­ческой связи.

Практически во всех ВОЛС, рассчитанных на широкое приме­нение, используются в качестве источни­ков света полупроводниковые светоизлучающие устройства, в которых механиз­мом излучения служит излучательная рекомбинация инжектированных в ак­тивную область носителей. Длина волны излучаемого света при этом зависит от ширины запрещенной зоны (E_g) актив­ной области полупроводника и опреде­ляется выражением =1,239/ E_g

где E_g измеряется в электрон-вольтах, — в микрометрах.

По характеру рекомбинационного из­лучения источники делят на когерентные и некогерентные. К когерентным относятся полупроводниковые ИЛ, ра­ботающие по принципу вынужденно­го излучения. Для некогерентных — СИД — излучательная рекомбинация но­сит спонтанный характер.

Основное преимущество ИЛ по сравнению с другими состоит в том, что они с допускают непосредственную модуляцию простым изменением тока возбуждения. Это в значительной степени уп­рощает структуру передающего модуля ВОЛС, так как не требует введения блока модулятора.

В соответствии с длиной волны излу­чения источники для ВОЛС подразде­ляют на «коротковолновые», работаю­щие в диапазоне 0,8...0,9 мкм, и «длин­новолновые», излучающие на длинах волн от 1,2 до 1,7 мкм.

Светоизлучающие диоды — это источ­ники для многомодовых ВОЛС длиной до нескольких десятков километров со скоростью передачи информации до 200 Мбит/с. ИЛ по своим параметрам наиболее полно удовлетворяют большин­ству требований, предъявляемых к ис­точникам ВОЛС. Они могут обеспечивать безретрансляционную передачу данных на расстояния более сотен километров со скоростью, превышающей 1 Гбит/с.

Лазер — устройство, усиливающее вынужденное излучение активной среды. Для усиления излучения в лазере используется специальная оптическая система, называемая резонатором Фабри-Перо. Она представляет собой полированные строго параллельные противоположные грани кристалла для получения отражающих поверхностей, похожих на зеркала.

При слабых управляющих токах лазер работает подобно СИД, и излучение света носит характер спонтанного. По мере усиления тока лазер достигает порога генерации, выше которого начинается вынужденное излучение и нормальная работа лазера. Таким образом, для начала работы лазера требуется достаточно высокая плотность тока (наличие большого числа электронов в не­большой рабочей области чипа). Спонтанно излученные фотоны захватываются резонатором Фабри-Перо, отражаясь от полированных боковых граней, и делают несколько проходов от одного зеркала к другому. Данные фотоны несут с собой энергию, соответствующую ширине щели полупроводникового вещества, используемого в лазере. При взаимодействии этих фотонов с электронами, находящимися в возбужденном состоянии, происходит немедленная рекомби­нация последних, сопровождающаяся излучением света.. Поскольку энергия фотонов вы­нужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения. Другими словами, падающий фотон приводит к излучению еще одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растет лавинообразно, и излучение усиливается.

Для работы лазера требуется достижение определенного уровня инверсной населенности, определяемого пороговым значением тока.. Инверсная населенность представляет собой состояние, в котором основная часть невозбужденных электронов переходит в возбуж­денное состояние.

Итак, отличия лазерного излучения от излучения СИД следующие:

Высокая монохромность: излучение имеет узкую спектральную ширину
Идеальная монохромность означает наличие только одной длины волны в
выходном излучении. В отличие от СИД лазерное излучение не имеет
непрерывного спектра, а представляет собой дискретный набор длив
волн вокруг центральной длины волны.

Когерентность: излучение синхронизировано, фазы излучаемых фотоновсовпадают.

Узкая направленность: свет излучается в узкий диапазон углов и пучов
света имеет малую поперечную дисперсию. Поперечной дисперсией
называется увеличение диаметра пучка света по мере распространенш
от источника.

Параметр СИД Лазер

Выходная мощность Низкая Высокая

Скорость Низкая высокая

Выходная апертура (№) Высокая Низкая

Спектральная характеристика Широкая Узкая

Совместимость с одномодавым волокном Нет Да

Применение Простое Сложное

Период эксплуатации Очень длинный Длинный

Стоимость Низкая Высокая

 

Как лазеры, так и диоды не являются идеально монохромными, они излучают в некотором конечном диапазоне длин волк Этот диапазон известен как спектральная ширина источника. На рис. 8.9 видно, что спектральная ширина лазера существенно уже п сравнению со спектральной шириной светоизлучающего диода.

Скорость включения и выключения источника должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы про­пускания оптической системы. Скорость источника определяется временем нарастания и спада сигнала. Лазеры имеют время нарастания менее 1 нс, в то время как время нарастания СИД — несколько наносекунд.

Длительность эксплуатации

Гарантируемое время эксплуатационной службы источника измеряется миллионами часов. После этого выходная мощность источника начинает уменьшаться из-за увеличивающегося числа дефектов в кристаллической структуре полупроводникового кристалла. Гарантируемое время службы ис­точника определяется уровнем 50% (3 дБ) уменьшения выходной мощности. Считается, что СИД, имеющий первоначальную выходную мощность 1 мВт, заканчивает свою службу при уровне мощности в 500 мкВт.

Простота использования

Лазер имеет лучшие оптические характеристики по сравнению с СИД но он сложнее, дороже и менее надежен в эксплуатации. Срок эксплуатационной службы лазеров, по сравнению с СИД, меньше.

 

 

45.Параметри фотодіодів.

Ключевыми параметрами фотодиодов являются время отклика, линейность, уровень шумов и чувствительность.

Ø Чувствительность: , где -оптическая мощность.(рис.1)

Подбирается так, чтобы макс приходился на заданный интервал длин волн.

Ø Темновой ток – ток, который протекает по фотодиоду, когда на него ничего не падает.

Ø мин. детектированная мощность – мин. сигнал, который можно зафиксировать.

Ø Время отклика , где изменяется от 0,2 – 5 нс.(рис.2)

Ø Квантовая эффективность . Чем выше, тем лучше работает светодиод.

Напряжения подбираются для обеспечения макс. излучения.

Фотодиоды обладают наилучшим сочетанием фотоэлектрических параметров, основные с точки зрения использования в оптоэлектронике: высокие значения чувствительности и быстродействия, малые значения паразитивных параметров (например, ток утечки). Простота их устройства позволяет достигнуть физического и конструкционного оптимума и обеспечить наиболее полное использование падающего света. В сопоставлении с другими, они обладают наибольшей стабильностью температурных характеристик и лучшими эксплуатационными свойствами. Напримет, параметры p-i-n фотодиода ФД-110:

область спектральной чувствительности, 0,41,9,токовая чувствительность, 0,4,темновой ток не более, 65, время отклика, 10, емкость перехода, 4, рабочее напряжение, 8В

Фотодиоды предназначены для использования в спектрометрии, фотометрии для измерения параметров оптического излучения низкой интенсивности.