Модуляция излучения источников. Классификация видов модуляции. Принцип прямой модуляции. Типы оптических модуляторов. Принцип действия эом на основе ячейки Поккельса и интерферометра маха-зендера.

Модуляция излучения – это изменение параметров оптической несущей по закону информационного колебания.
В ВОСП используют прямую(непосредственную) и внешнюю модуляцию электромагнитных излучений оптического диапазона.

Прямая (непосредственная) модуляция

Наиболее простым является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду через волновую поверхность площадью один квадратный метр.

Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность за счет изменения величины силы тока накачки/инжекции, в зависимости от изменений информационного сигнала.

Рисунок 3.1 - Принцип прямой модуляции

 

Если в качестве модулирующего сигнала используется электрический цифровой сигнал, то на выходе источника формируется оптический сигнал с двумя дискретными значениями мощности P max и P min.

Pmax – соответствует "1" информационного сигнала.

Pmin – соответствует "0" информационного сигнала.\

При модуляции интенсивности выбирается линейный участок ватт-амперной характеристики излучателя.
Сигнал на выходе источника определяется выражением:
(3.1)
где Ро – постоянная мощность излучения, соответствующая току смещения
m – параметр глубины модуляции
(3.2)
S(t) - модулирующий сигнал.
Рисунок 3.2 – Модуляция цифровым сигналом мощности источника излучения

 

Достижимой является величина параметра глубины модуляции m до 0,9 (90%), однако при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра. В спектре кроме частоты основного сигнала ω, появляется также вторая и третья гармоники с частотами 2ω и 3ω. В спектре после демодуляции кроме 2ω и 3ω, появляется комбинационные продукты, которые полностью перекрывают полезный сигнал, и если амплитуда такой помехи будет соизмерима с амплитудой сигнала, то выделить такой сигнал крайне сложно. Поэтому на искажения введены показатели для

оценки нелинейности: затухание нелинейности по второй и третьей гармоникам \

Внешняя модуляция
Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения при прохождении светового луча через какую-либо среду.

 

 

 

 

 

Рисунок 3.12 - Принцип внешней модуляции

В ряде материалов пропускающих оптические волны, существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим давлением. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили электрооптический и акустооптический эффект.
Акустооптический эффект - это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении акустической волны.

Схема АОМ приведена на рисунке 3.13. При изготовлении акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО₂ (диоксид теллура), PbMoO₄ (молибдонат свинца), LiNbO₃ (ниобат лития).

Рисунок 3.13 – Схема АОМ

 

В результате распространения акустической волны образуются периодические слои изменения показателя преломления, перемещающиеся со скоростью звука. Так как скорость звука намного меньше скорости света, то в первом приближении для задачи дифракции света можно считать слои показателей преломления неподвижными и квазистационарными, то есть за время прохода света они не успевают существенно сместиться.

Из-за сложности конструкции и ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц) АОМ редко используются в ВОСП.

Электрооптический эффект заключается в изменении оптических свойств некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO₃) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Электрооптическая модуляция может происходить на основе линейного эффекта Поккельса и нелинейного эффекта Керра.

Электрооптический эффект Поккельса заключается в повороте плоскости поляризации световой волны под действием электрического поля. Нелинейный эффект Керра появляется в зависимости показателя преломления материала от напряженности электрического поля. Общим для указанных эффектов является то, что внешние воздействия приводят к изменению симметрии кристалла, следствием чего является изменение его свойств. Оптически изотропные кристаллы становятся анизотропными.

В электро-оптических модуляторах (ЭОМ) на эффекте Поккельса под воздействием модулирующего напряжения в электрооптическом кристалле ниобата лития LiNbO₃ возникает искусственная анизотропия, проявляющаяся в двулучепреломлении (рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 – ЭОМ на эффекте Поккельса

 

Свет, распространяющийся в среде, показатели преломления которой вдоль двух направлений различны, разделяется на обыкновенную горизонтально поляризованную волну и необыкновенную вертикально поляризованную волну. В результате деформации показателей преломления в различных плоскостях кристалла между этими волнами создается набег фаз, а при интерференции двух волн, наблюдается поворот плоскости поляризации. При максимальном модулирующем напряжении плоскость поляризации поворачивается на 90^о и на выходе ЭОМ возникает модулированное излучение

Недостатки ЭОМ на эффекте Поккельса:

1. Требует приложение высоких модулирующих напряжений (160-180 В).

2. Зависимость разности показателей преломления в материале от температуры.

В современных ВОСП чаще используется электрооптический модулятор на интерферометре Маха-Зендера. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов.

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала . При этом в другом канале изменений нет.

 

Рисунок 3.15 - ЭОМ на интерферометре Маха-Зендера

 

в результате интерференции двух волн во втором ответвителе формируется сигнал "1" или нуля.jD. Разность фаз обусловлена зависимостью скорости распространения волн от показателя преломления. В зависимости от jDОптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением. Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы

ЭОМ модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 40 Гбит/с).

 

 

1) Требования к линейным сигналам оптических систем передачи. Классификация кодов и их характеристики. Анализ и сравнение кодов. Алгоритмы формирования сигналов в линейных кодах ВОСП класса mBnB, 1В2В, коды со вставками.

 

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.