Обобщенная Структурная схема восп. Классификация восп. Основные характеристики восп.

Обобщенная структурная схема ВОСП. Классификация ВОСП. Основные характеристики ВОСП.

В состав ВОСП входят: система передачи (СП), оборудование сопряжения (ОС), оптический передатчик (ОПер), оптическое волокно (ОВ), оптический ретранслятор (ОР), оптический приемник (ОПр). Совокупности СП, ОС, ОПер и СП, ОС, ОПр образуют соответственно тракт передачи и тракт приема оконечных станций А и Б. В промежуточных станциях устанавливаются ОР. В волоконно-оптический линейный тракт входят: ОПер, ОВ, ОР и ОПр.

Как видно из рисунка 1.1, с передающей станции N первичные электрические сигналы поступают на систему передачи. С выходом СП многоканальный электрический сигнал подается в ОС, где он преобразутеся в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. В оптическом передатчике электрический сигнал путем модуляции оптической несущей преобразутся в оптический, который далее передается в ОВ.

Классификация ВОСП:

а) ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексиро­ванием с разделением длин волн, при котором по одному ОВ одновременно передается не­сколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальный сигналом, сформированным соответствующим канна-лообразующим оборудованием. Возмож­ность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соот­ветствующего окна прозрачности от частоты оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разде­ления, по одному ОВ можно организовать несколько широкополос­ных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации.

б) ВОСП с частотным или гетеродинным уплотнением. В сис­темах передачи с частотным мультиплексированием исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трак­тах отводятся определенные полосы частот. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного, но достаточно стабильного, с помощью соответствующего сдвига оптической несущей. Уплотнение, использующее такой принцип формирования оптических несущих, называется частотным или гетеродинным уплотнением.

в) ВОСП с временным уплотнением (с временным мультип­лексированием), при котором несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой вре­менной интервал. Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и на уровне оптических сигналов.

Основные характеристики:

Волоконно-оптические линии связи по сравнению с обычными кабельными линиями имеют следующие преимущества:

·Высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель.

·Значительно большая широкополосность.

·Малая масса и габаритные размеры. Что уменьшает стоимость и время прокладки оптического кабеля.

·Полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования.

·Отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы для пересечения опасных зон без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара в зонах с горючими и легковоспламеняющимися средами.

·Потенциально низкая стоимость. Хотя волоконные световоды изготавливаются из ультра чистого стекла, имеющего примеси меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость не велика. Кроме того, в производстве световодов не используются такие дорогостоящие металлы, как медь и свинец, запасы которых на Земле ограничены. Стоимость же электрических линий коаксиальных кабелей и волноводов постоянно увеличивается как с дефицитом меди, так и с удорожанием энергетических затрат на производство меди и алюминия.

К недостаткам оптических кабелей можно отнести:

·подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;

·водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств.

Классификация оптических волокон. Затухание ОВ. Дисперсия ОВ.

Классификация

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми. Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру сердцевины оптическое излучение распространяется по волокну в одной (основной, фундаментальной) моде и, как результат, отсутствует межмодовая дисперсия.

Существует три основных типа одномодовых волокон:

одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией (стандартное) (SMF или SM,англ. step index s ingle m ode f iber), определяется рекомендацией ITU-T G.652 и применяется в большинстве оптических систем связи;

одномодовое волокно со смещённой дисперсией (DSF или DS, англ. d ispersion shifted s ingle mode f iber), определяется рекомендацией ITU-T G.653. В волокнах DSF с помощью примесей область нулевой дисперсии смещена в третье окно прозрачности, в котором наблюдается минимальное затухание;

одномодовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF, NZDS или NZ, англ. n on- z ero d ispersion shifted s ingle mode f iber), определяется рекомендацией ITU-T G.655.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62.5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волокнах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкообразно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Это приводит к явлению рефракции в сердцевине, благодаря чему снижается влияние дисперсии на искажение оптического импульса.

Затухание, Дисперсия

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяющегося в волокне сигнала, тем больше может быть расстояние между регенераторами или повторителями.
Потери оптической мощности по мере распространения света по волокну называются затуханием α,которое определяется отношением оптических мощностей на входе P_вх и выходе P_вых.
Для оценки таких величин по решению Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) от 1971 г. используются логарифмические единицы с основанием 10 (десятичные логарифмы). Поэтому величина затухания α выражается в децибелах [дБ]:

α[дБ]= 10lg(Pвх / Pвых),дБ

и называется коэффициентом затухания света в ОВ.
Затухание оптической мощности на один километр длины l оптического волокна (погонное или удельное затухание) определяется коэффициентом полных потерь световой энергии в ОВ

[дБ/км]=α[дБ]/l[км].

 

Маркировка

Защитный покров:

С – стальная гофрированная лента;

Б – повив из крупных стальных проволок;

А – повив из арамидных или других синтетических нитей;

П – повив из стеклопластиковых прутков.

Оболочка ОК:

Л – облегченная конструкция (без промежуточных оболочек);

З – аллюмо-полиэтиленовая оболочка (обоспечивает поперечную гидроизоляцию)

Н – оболочка, препятствующая распространению горения при одиночной прокладке кабеля;

НГ – оболочка, препятствующая распространению горения при групповой прокладке кабеля;

Т – оболочка из трекингостойкого материала.

Внешний несущий элемент:

/Т – стальной трос;

/Д – стеклопластиковый пруток.

Способы прокладки:

- Безтраншейная прокладка кабелеукладчиком;

- Прокладка в кабельную канализацию методом задувки/ затягивания;

- Прокладка ОК методом подвеса на опорах;

- Прокладка ОК в микроканализацию методом задувки;

- Прокладка ОК методом ГНБ (сложные переходы через препятствия).

Требования к источникам излучения. Принцип действия когерентных и некогерентных источников оптического излучения.

Требования к источникам излучения:

· Длина волны излучения источника должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь волоконных световодов;

· Конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его волоконные световоды;

· 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.

Светодиод (СИД) представляет собой полупроводниковый прибор с p - n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение (некогерентный источник излучения). Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

Принцип действия - Когда к р-области приложено положительное напряжение, а отрицательное напряжение приложено к n-области, электроны и дырки движутся к месту соединения двух областей, где они объединяются. Когда электрон объединяется с дыркой, атом возвращается в нейтральное состояние и освобождается энергия, которая преобразуется в световую энергию в виде фотонов. В простейшем случае излучаемая светодиодом энергия образуется при рекомбинации электронов и дырок, которые вводятся в зону соединения прямым смещающим напряжением (forwardbiasvoltage).

Зонная теория дает простое объяснение полупроводниковой проводимости. Существуют два разрешенных энергетических уровня, разделенных запрещенной зоной, как показано на рис. 6.2. В верхнем уровне в n-области, известном как зона проводимости, несвязанные электроны могут двигаться свободно, тогда как на нижнем уровне р-области, известном как валентная зона, могут двигаться дырки.

Размер запрещенной зоны определяет энергию излученного фотона. У различных полупроводниковых материалов разная энергия запрещенной зоны, энергия перехода (W) в электрон-вольтах (эВ) может быть связана с длиной волны (λ) через следующую формулу:

Лазер (LASER, LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения.

Принцип действия - Светодиоды и лазеры используют очень сходные принципы действия. В разделе 6.2.2 показано, что свет излучается из светодиода, когда электрон переходит с уровня с высокой энергией на уровень с низкой энергией. Если это происходит без постороннего влияния, то называется спонтанной эмиссией. Это имеет место в некоторых радиоактивных материалах. В светодиодах, обсуждавшихся в предыдущем разделе, для стимулирования излучения использовалось прямое напряжение смещения. Для перехода на более низкий уровень электрон, находящийся на уровне с высокой энергией, может также стимулироваться фотоном с достаточным уровнем энергии. Таким способом внешний фотон может стимулировать излучение вторичного фотона с той же самой длиной волны.

Лазер действует посредством оптического резонанса. Строение лазера очень схоже со строением светодиода, излучающего из кромки. У него тонкая узкая активная области с добавлением отражающих концов и отражающих сторон, как показано на рис. 6.5. В этом резонаторе свет ограничен и отражается взад и вперед через возбужденную сред) Для начала излучения фотонов к лазеру прилагают смещение. Фотоны отражаются назад и вперед и стимулируют дальнейшую эмиссию фотонов от ожидающих рекомбинации электронов. Свет, проходящий взад и вперед вдоль оси резонатора, продолжает свои движения и наращивает силу до тех пор, пока не сможет прорваться- через отражающий конец, и таким образом формируется лазерный пучок.

 

Источники света. Требования к материалу ИС. Расчет длины волны излучения.

Лазерный диод:

- использовать материалы преимущественно с прямыми переходами;

- применять совершенные кристаллы с малым количеством центров безызлучательной рекомбинации;

- в используемых материалах время жизни носителей заряда должно быть больше времени их термализации (τ >τрел); - для уменьшения поглощения фотонов и одновременно обеспечения высокой скорости излучательной рекомбинации следует использовать высоколегированные полупроводники с малой величиной эффективной массы.

Светодиод:

Материал, из которого будут изготавливать светодиоды, подбирается так, чтобы длина волн, которые испускают фотоны, была в рамках видимой области в спектре излучения. Различные материалы испускают различные фотонные волны различной длины, что отвечает различным цветам излучаемого света.

Чтобы кванты энергии – фотоны, освободившиеся при рекомбинации, соответствовали квантам видимого света, ширина запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Е_g > 1,8 эВ). Исходя из этого ограничения, для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), твердые растворы: галлий—мышьяк—фосфор (GaAsP) и галлий—мышьяк—алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (E_g > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового.

Длина волны — это расстояние между двумя соседними волнами сигнала. Чтобы определить полную длину волны, необходимо измерить расстояние между двумя одинаковыми точками двух соседних волн. Обычно для определения этой величины используется расстояние между пиками двух волн. Длина волны напрямую связана с частотой потока сигнала. Чем больше частота сигнала, тем меньше длина волны. Такая зависимость обусловлена увеличением количества повторений (ростом частоты) волны сигнала в течение одного и того же промежутка времени с уменьшением длины волны.

Для волн Де Бройля длину волны можно рассчитать с помощью формулы:

А если нужно рассчитать более точно длину волны переменного электромагнитного поля в вакууме или воздуха, то можно воспользоваться формулой:

— Длина волны

— Скорость волны

— Период волны

— Частота колебаний

— Постоянная Планка

— Импульс частицы

— Скорость света

 

Требования к линейным сигналам оптических систем передачи

1. Спектр сигнала в полосе пропускания должен быть узким и не должен иметь постоянной составляющей, т.е. должен быть ограничен сверху и снизу;

2. Желательно, чтобы основная доля энергии непрерывной составляющей энергетического спектра была сосредоточена в относительно узкой части спектра, так как при прочих равных условиях, чем уже спектр, тем меньше искажается сигнал за счет ограничения полосы линейного тракта;

. Линейный код должен содержать информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала. В приемнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для принятия решения пороговыми устройствами приемника и регенератора;

. Непрерывная часть энергетического спектра должна иметь низкий уровень в области тактовой (либо кратной ей) частоты, используемой для синхронизации приема, так как чем меньше уровень непрерывной составляющей в области, выделяемой дискретной составляющей, тем меньше помехи для устройств выделения тактовой частоты;

. Код передачи должен отображать любую двоичную последовательность. Процесс линейного кодирования не должен зависеть от статистики сигналов источника информации, и наоборот, код не должен налагать какие либо ограничения на передаваемое сообщение и должен обеспечивать однозначную передачу сигналов с любой статистикой;

. Алгоритм формирования сигнала должен позволять надежно контролировать качество (достоверность) передачи в процессе автоматической эксплуатации ВОСП путем контроля ошибок;

. Устройство кодирования, декодирования и контроля ошибок должны быть простыми, надежными и малоэнергоемкими с возможностью интеграции схемы;

. Желательно, чтобы линейный код имел малую избыточность для снижения соотношения между скоростью передачи в линии и скоростью исходных двоичных сигналов и повышения эффективности ВОСП;

. Линейный код не должен приводить к существенному размножению ошибок при декодировании;

Поскольку импульсы излучаемой оптической мощности, разумеется, могут быть только положительными или нулевыми, мы не можем непосредственно использовать биполярные коды, которые применяются при передаче информации по проводным линиям.

Применяемые коды на ВОСП

Применяемые коды на ВОСП

Правила кодирования (рис.1)и распределения спектральной плотности различных кодов передачи (рис.2) представлены на графиках:

1-NRZ; 2-RZ; 3-BI-L; 4-BI-S; 5-Код с «обращением»; 6-электронно-фотонный код1; 7-электронно-фотонный код 2.

Как видно из рисунка, NRZ обладает узкой шириной спектра. Сигналы NRZ и RZ имеют максимум спектральной плотности в узкой полосе частот.

NRZ (без возвращения к нулю на тактовом интервале - абсолютный) - точно повторяет информационную последовательность. Сигнал RZ можно рассматривать как код 1В2В. Единицам в исходной последовательности соответствуют комбинации 10, нулям- комбинации 00. Возвращение к нулю после передачи каждой единицы повышает качество синхронизации при повторении большого числа единиц. Коды BI-L и BI-S называются биимпульсными. В абсолютном биимпульсном сигнале BI-L единицам в исходной последовательности соответствует блок 10, нулям- 01. В относительном биимпульсном сигнале BI-S изменение уровня или фазы происходит лишь при появлении символа 1, а при появления символа 0 сохраняется значение уровня или фазы предыдущего элемента. Применение блочных кодов mBnB вызывают увеличение тактовой частоты линии в n/m раз. Коды 1В2В применяются только в системах с относительно низкой скоростью передачи.

На больших скоростях обычно применяются коды типа NRZ. Достоинствами этих кодов являются простота реализации, относительная узость спектра и высокая энергетическая эффективность. Но такие коды характеризуются такими существенными недостатками, как высокий уровень низкочастотных составляющих, невозможность контроля ошибок, отсутствие дискретных составляющих в энергетическом спектре. Для улучшения статистических свойств сигналов используют скремблирование исходного двоичного сигнала для превращения его в сигнал, близкий к случайному. Данная операция устраняет длинные последовательности нулей и единиц, а также упрощает процесс выделения тактовой частоты из принимаемого сигнала.

2) Линейный тракт ВОСП. Типы оптических ретрансляторов.

Комплекс технических средств волоконно-оптической системы передачи, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на две категории:

· повторители;

· оптические усилители.

В волоконно-оптических системах локальных сетей повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических магистралей оптические усилители играют первостепенную роль.

7.1.1 Повторители

Повторитель – это электронно-оптическое устройство, которое преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Структурная схема электронно-оптического повторителя (а) и форма оптического и электрического сигналов (б)

Можно представить повторитель как последовательно соединённые приёмный и передающий оптический модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум.

Однако при цифровой передаче повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала.
Обычно блок регенерации охватывает цепь принятия решения и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие временные интервалы. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведётся передача. Такие «средонезависимые» повторители применяются в локальных сетях.

В локальных сетях распространены повторители, преобразующие сигналы из многомодового в одномодовое волокно и наоборот. Такие повторители получили название конвертеры. Широко распространены ОМ/ММ конвертеры на 100, 155 и 622 Мбит/с.

7.1.2 Оптические усилители

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Структурная схема оптического усилителя

ОУ не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме того, вносится собственный шум в выходной оптический канал. ОУ используют принцип индуцированного излучения, аналогично лазерам. Существуют несколько типов оптических усилителей. Рассмотрим два из них.

а) Полупроводниковые усилители (ППУ).
Основу полупроводникового усилителя составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное просветляющее покрытие толщиной λ /4 (рисунок 7.3).
б) Усилители на примесном волокне.
Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространён и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне.

3) Структурная схема линейного тракта цифровой ВОСП, назначение узлов и требования к ним.

ОП – оконечный пункт ОАЛТ – оконечная аппаратура линейного тракта ОЛО – оборудование линейных окончаний (интерфейсов) ОРП и НРП – обслуживаемый и необслуживаемый регенерационный пункт Параметры структуры ЦЛТ: lур– длина регенерационного участка Lдп (со)– длина секции дистанционного питания (секции обслуживания) – между ОП Lоулт– длина однородного участка линейного тракта – между ОАЛТ Групповой ЦС, сформированный в аппаратуре КО, при передаче по ВОЛТ должен быть преобразован для наиболее эффективного использования свойств направляющей среды, т.е. линейного кодирования ЦС Требования к ЛК в ВОСП: - в энергетическом спектре линейного ЦС не должна содержаться постоянная составляющая, а ВЧ-составляющая должна быть незначительной - передаваемая по линии цифровая последовательность должна обеспечить выделение тактовой частоты. С этой целью сигнал должен содержать спектральную составляющую тактовой частоты и не иметь длинных пачек нулей и единиц - передаваемая по линии цифровая последовательность должна обеспечивать контроль достоверности передачи информации и при необходимости обеспечить возможность исправления ошибок - используемые коды не должны вносить ошибки в передаваемый сигнал, независимо от структуры передаваемой информации. 1. ВЧ составляющие, имеющиеся в сигнале ведут к паразитной ЧМ импульсов. А постоянная составляющая приводит к уменьшению ресурса работы лазерного диода 2. тактовая частота нужна для восстановления сигнала в каждом регенераторе и на ОП, а так же для обеспечения сетевой ТС, необходимой для выделения ЦК в ОП и промежуточных пунктах 3. структура кода д.б. такова, что ее нарушение ведет к появлению запрещенной кодовой комбинации. Достичь этого можно только за счет избыточности ЛК. 4. кроме постоянного контроля за верностью передачи при декодировании д.б.однозначное соответствие принятой кодовой комбинации и исходной цифровой последовательности

 

 

22) Структурная схема и принцип действия ретранслятора ВОСП-регенератора.

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 0В из-за дисперсии материала и разброса времени пробега. Принцип работы оптического усилителя и нелинейного поглотителя были рассмотрены в главе 3 данного пособия. Наибольшее применение в технике оптической связи получили ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электрический и последующей обработкой и регенерацией сигнала электронными схемами. 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).

23) Принцип оптического усиления. Классификация оптических усилителей (ОУ). ВОУ на основе редкоземельных элементов: конструкция, принцип действия, схема оптического ретранслятора на эрбиевом усилителе.

Усиление в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.

Классификация различных видов оптических усилителей приведена ниже:

 

К усилителям, которые используются в оптических системах передачи, предъявляется ряд требований:

o высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических частот;

o малые собственные шумы;

o нечувствительность к поляризации;

o хорошее согласование с волоконно-оптическими линиями;

o минимальные нелинейные и линейные искажения оптических сигналов;

o большой динамический диапазон входных сигналов;

o требуемое усиление многочастотных (многоволновых) оптических сигналов;

o длительный срок службы;

o минимальная стоимость и т.д.

ВОУ на основе редкоземельных элементов:

Основу конструкции ВОУ составляет оптическое волокно с примесью редкоземельного материала. Например, для длин волн усиления 1,53 ¸ 1,55 мкм это эрбий Er. Длина волокна с примесью - от 20 до 50 м.

Для того, чтобы волокно стало усиливающей средой, оно накачивается излучением l Н от отдельного лазера. При этом возможна и двусторонняя накачка от двух лазеров. Система контроля усиления управляет током накачки лазера благодаря обратной связи, устанавливаемой через делитель мощности. Усиливаемый сигнал l С и волны накачки l Н объединяются в мультиплексоре и направляются в оптическое волокно с примесью, где происходит увеличение мощности сигнала. Большая часть (95%) мощности усиленного сигнала проходит через фильтр на выход. Фильтр отсекает волны накачки l Н и шумы вне полосы частот сигнала. Оптический изолятор исключает проникновение отраженных в усилителе сигналов во входящую оптическую линию.

Принцип действия ВОУ основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов редкоземельного материала, помещенных в сердцевину обычного одномодового стекловолокна. Редкоземельные материалы выбраны с таким расчетом, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит в конечном результате к спонтанной и вынужденной люминесценции. При этом вынужденное свечение будет обусловлено входным сигналом и совпадает с ним по длине волны. Наиболее подходящими для ВОУ считаются редкоземельные празеодим Pr, неодим Nd, эрбий Er, тулий Tm, в связке с эрбием применяется иттрий Y.

ВОУ применяются, как правило, на протяженных линиях, где передача происходит на длине волны 1,55 мкм. Для увеличения длины участка передачи применяются эрбиевые ВОУ. Рассмотрим их работу и характеристики.

В сердцевине стекловолокна помещены ионы эрбия (Er 3+). Для накачки ионов могут применяться излучения с длинами волн 1480 нм, 980 нм, 800 нм, 670 нм и 521 нм. Реально используются 1480 нм и 980 нм. Это обусловлено рядом причин: эффективностью полупроводниковых лазеров большой мощности, малым затуханием оптического волокна, низкими требованиями к точности длины волны накачки.

 

В схеме оптического ретранслятора выделяется канал управления, организуемый на отдельной несущей волне l У. Предусилитель обеспечивает максимальное соотношение сигнал/шум. Усилитель мощности имеет двустороннюю накачку на длине волны 1480 нм, что создает максимальную линейность характеристики усиления. Оптический корректор компенсирует искажение оптических импульсов, возникшее из-за хроматической дисперсии в одномодовом стекловолокне. Однако корректор не устраняет влияние поляризационной модовой дисперсии (ПМД), для компенсации которой необходимо применение динамического управляемого компенсатора.

 

24) Факторы, ограничивающие дальность связи. Определение длины регенерационного участка одноволновой ВОСП.

 

Основные факторы, ограничивающие дальность связи:

поляризационно-модовая дисперсия (ПМД);

Нелинейность в оптическом волокне;

Стимулированное рассеивание Бриллюэна (SBS);

Стимулированное рассеивание Рамана (SRS).

 

Длина регенерационного участка (РУ) определяется двумя основными параметрами передачи: затуханием и дисперсией импульсов информационных сигналов.

Для определения длины РУ по затуханию можно воспользоваться соотношением

 

 

где РS – уровень мощности сигнала передатчика в точке стыка S (дБм), РR –уровень мощности сигнала на входе приемника в точке стыка R (дБм), определенный для заданного КОШ; РD – мощность дисперсионных потерь (дБ); Ме – энергетический запас на старение оборудования (дБ); N – число строительных длин кабеля; lS – потери энергии на стыках строительных длин (дБ); NC – число разъемных соединений между точками S и R; lС – потери энергии на разъемном соединении (дБ); a С – коэффициент затухания кабеля (дБ/км); a m – запас на повреждения кабеля (дБ/км).

Длина регенерационного участка определяется из соотношенияи проверяется на соответствие полосы пропускания и скорости передачи соотношениями (8.10), (8.13). При скорости передачи В > 2,5 Гбит/с в расчете должна приниматься хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия.

Ограничивающими факторами длины РУ являются:

· для максимальной мощности передатчика РS – нелинейные оптические эффекты [4];

· для минимальной мощности на входе приемника РR – коэффициент ошибок; разность РS - РR называют энергетическим потенциалом системы передачи;

· энергетический запас на старение оборудования Ме имеет разброс от 3 дБ до 6 дБ;

· энергетический выигрыш от применения упреждающей коррекции ошибок (FEC);

· километрическое затухание кабеля a С зависит от окна прозрачности стекловолокна;

· запас на повреждение кабеля указывается для длины линии 100 км на срок эксплуатации 20 лет;

· полоса пропускания волокна зависит от типа волокна, окна прозрачности и ширины спектра излучения лазера или светодиода [4], применения компенсаторов дисперсии, способа модуляции (прямой или внешней), введения линейного или нелинейного предискажения.

 

Рис. 1.1. Простейшая структурная схема системы передачи WDM.

В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц, что приводит к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530-1565 нм). Такое уплотнение получило название DWDM. Очевидно, что DWDM вызвано стремлением увеличить количество передаваемых каналов. Отметим также, что в настоящее время аббревиатура DWDM закрепилась и для систем с многоволновым уплотнением, у которых частотный интервал между каналами равен 100 ГГц.

В настоящее время в оборудовании систем связи с DWDM, рассчитанных для передачи до 32-х каналов, ряд фирм применяет длину волны 1510 нм, а некоторые — 1625 нм. Но с увеличением количества передаваемых каналов до 128 и более возникает необходимость освоения более длинноволновой части оптического спектра, в частности L-диапазона (или 4-е окно прозрачности ОВ), в который будет входить длина волны 1625 нм.