Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Курсовая работа - Волоконно-оптический канал передачи информации - файл 1.doc


Курсовая работа - Волоконно-оптический канал передачи информации
скачать (1242.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1243kb.13.12.2011 05:12скачать

содержание

1.doc

  1   2
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)" в г. Смоленске
Кафедра электроники и микропроцессорной техники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Квантовая и оптическая электроника»
Тема: Волоконно – оптический канал передачи информации


Студент группы ПЭ-06 Баранов А.М.


Руководитель проекта доцент

Калиненко А.Г.
«Проект допущен к защите» доцент

Калиненко А.Г

дата «___» _______________


^

Смоленск 2009




СОДЕРЖАНИЕ


Смоленск 2009 1

СОДЕРЖАНИЕ 2

АННОТАЦИЯ 2

1 Техническое задание 4

2 Анализ технического задания 5

8.4 Устройство ЛД 27

8.5 Характеристики ЛД 28

9.2 Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя 32

9.3 Выбор транзистора и расчёт сопротивлений в схеме прямого модулятора 33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43


АННОТАЦИЯ


Оптоволоконные сети безусловно являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуются все больших затрат на дальнейшее развитие этого направления. Задачей данного курсового проекта является описание основных технических характеристик, структуры, принципа действия, достоинств ВОЛС, разработка схемы оптического передатчика.


SUMMARY

Fibre-optical networks certainly are one of the most perspective directions in the field of communication(connection). Throughputs of optical channels are higher orders, than at information lines on the basis of a copper cable. Except for that the optical fiber is unreceptive to electromagnetic fields that removes some typical problems of copper systems of communication(connection). Optical networks are capable to transfer a signal to the big distances with smaller losses. In spite of the fact that this technology still remains expensive, the prices for optical components constantly fall, while opportunities of copper lines come nearer to the limiting values and are required the increasing expenses for the further development of this direction. Task of the given academic year project is the description of the basic characteristics, structures, a principle of action, advantages optical fibre communication lines.

ВВЕДЕНИЕ

Передача информации по оптическим линиям связи имеет всего лишь 50-летнюю, но весьма бурную историю. В основе оптической передачи лежит эффект полного внутреннего отражения луча, падающего на границу двух сред с различными показателями преломления. Световод представляет собой тонкий двухслойный стеклянный стержень, у которого показатель преломления внутреннего слоя больше, чем наружного. Световод, управляемый источник света и фотодетектор образуют канал оптической передачи информации, протяженность которого может достигать десятков километров. Световоды пропускают свет с длиной волны 0,4-3 мкм (400-3000 нм), но пока практически используется только диапазон 600-1600 нм (часть видимого спектра и инфракрасного диапазона). История оптоволоконной передачи началась с коротковолновых (около 800 нм) систем. По мере совершенствования технологий производства излучателей и приемников уходят в сторону более длинных волн — через 1300 и 1500 к 2800 нм, передача которых может быть эффективнее. Высокая частота электромагнитных колебаний этого диапазона дает потенциальную возможность достижения скорости передачи информации вплоть до терабит в секунду. Реально достижимый предел скорости определяется существующими источниками и приемниками сигналов — в настоящее время освоены скорости до нескольких гигабит в секунду.
^

1 Техническое задание


  1. Обзор литературы по различным видам волоконных световодов, структурным схемам оптических передатчиков

  2. Обзор литературы по существующим схемам волоконно-оптического канала.

  3. Рассмотреть основные компоненты волоконно-оптической линии связи, принципы их работы

  4. Выбрать необходимые компоненты для оптического передатчика.

  5. Рассчитать параметры оптического передатчика.

  6. Моделирование формирователя импульсов.



^

2 Анализ технического задания


Для наиболее наглядного представления данного материала выберем одномодовое оптическое волокно. На этом примере будут рассмотрены устройство, принцип работы и основные компоненты волоконно – оптического канала передачи информации. В качестве компонентов оптического передатчика будут выбраны элементная база отечественного производства, что позволит снизить экономические затраты на производство изделия. Моделирование формирователя импульсов будем производить с помощью программы Comb.




3 Принципы передачи сигналов по оптическому волокну

В основе функционирования оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). 

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих различные оптические и механические свойства.
Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть стекловолокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины. Более подробно конструкции волокон различных типов  и их основные конструктивные характеристики показаны ниже.

Для передачи свет (точнее, инфракрасное излучение) вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна a0 называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

NA= sina0 = sqrt(n12 – n22)

Из приведенной формулы следует, что числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n1 и n2. При этом всегда выполняется условие: n1 > n2 (рис. 1).


^ Рис. 1.1 - Распространение света в оптическом волокне

Если угол падения света a больше, чем a0, то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна. Если угол a меньше чем a0, то происходит отражение от границы материалов сердечника и оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рис. 2).


^ Рис.1.2 - Условия распространения света в оптическом волокне

Скорость распространения света в оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как:

V = c/n

где с– скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердечника.

Типичные значения коэффициента преломления материала сердечника лежат в пределах от 1,45 до 1,55.
Для того чтобы передавать сигналы по оптическим волноводам, необходи­мо иметь источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели наиболее подходят лазеры, кото­рые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют под­держивать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть доказано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направле­ниях, в которых введенные световые волны при их наложении усили­ваются. Говорят, что возникает конструктивная интерференция. Разре­шенные световые волны, которые могут распространяться в оптичес­ком волокне, называются модами (собственными волнами). Для описания процессов распространения света в оптических волокнах существуют несколько параметров, которые необходимо учитывать.

4 Основные типы оптического волокна

В зависимости от структурных параметров различают многомодовые и одномодовые оптические волокна.
Многомодовые оптические волокна имеют такое соотношение диаметров оболочки и сердцевины, которое позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в волокно под разными углами в рамках числовой апертуры волокна. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по световоду. Главный недостаток многомодовых волокон – большая величина модовой дисперсии, ограничивающая как полосу пропускания, так и дальность работы цифровой системы передачи. Однако, многомодовые оптические волокна активно применяются в коротких ВОЛС, что объясняется дешевизной производства как волокна, так и источников излучения.

Одним из способов компенсации модовой дисперсии является применение оптических волокон с переменным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. Наиболее распространены градиентные оптические волокна. В отличие от стандартных многомодовых световодов, имеющих постоянный профиль преломления материала сердцевины, такие световоды имеют показатель преломления, плавно уменьшающийся от центра к оболочке. Вследствие изменения скорости распространения света происходит компенсация задержки распространения разных световых мод. В результате, такое оптическое волокно имеет во много раз меньшую дисперсию, и, как следствие, большую полосу пропускания. Главный недостаток градиентных оптических волокон, ограничивающий их применение – большая цена и сложность производства.

Одномодовое оптическое волокно сконструировано таким образом, что в сердцевине может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому подобные волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются в строительстве ВОЛС. Основные преимущества одномодовых оптических волокон – малое затухание, минимальная величина модовой дисперсии, широкая полоса пропускания ( рис 4.1).



Рис. 4.1: Многомодовое (а), градиентное (б) и одномодовое оптические волокна.

Таблица 4.1 – Основные характеристики оптических волокон

Тип оптического волокна

Диаметр оболочки волокна(мкм)

Диаметр сердцевины волокна(мкм)

Числовая апертура волокна

Номинальное затухание (дБ/км)

Ширина полосы пропускания (мГц/км)

Многомодовое со ступенчатым показателем преломления

125

50 62,5

0,242

2,5/0,81 2,8/0,6*

До 400

Многомодовое градиентное

125

50 62,5

0,206

2,5/0,81 2,8/0,6*

До 1000

Одномодовое

125

9 10

0,113

0,2/0,152 0,2/0,15*

До 106

* значения затухания на двух длинах волн: 850 нм и 1300 нм



Рис. 4.2 - Конструкция многомодового оптического волокна


Рис. 4.3 - Конструкция одномодового оптического волокна
5 Основные параметры оптических волокон

5.1 Затухание

В общем случае затухание – это ослабление светового потока в оптоволокне.

Природа затухания может быть различной:

Затухание света в оптическом волокне, вызванное поглощением света. Поглощение может быть определено как превращение мощности светового импульса в тепло, и связано с резонансом в материале волокна. Существуют внутренние поглощения, связанные со свойствами материала волокна и молекулярным резонансом, и внешние поглощения, определяемые наличием микропримесей в материале волокна (например ОН-ионов). Современные оптические волокна имеют очень небольшое количество микропримесей, поэтому величина внешнего поглощения минимальна и может не приниматься в расчет.

Затухание света в оптическом волокне, вызванное рассеиванием излучения. Рассеивание - один из основных факторов затухания света в оптическом волокне. Наличие этого типа затухания связано, прежде всего, с дефектами сердцевины оптического волокна, а также с наличием посторонних вкраплений и примесей в оптическом волокне. Подобные посторонние включения значительно влияют на возможность прохождения светового потока по правильной траектории, приводят к его отклонению и, как следствие, превышению угла преломления и выходу части светового луча через оболочку. Кроме того, наличие неоднородностей волокна приводит к отражению части светового потока в обратную сторону - обратное рассеивание (рис. 5.1.1).


Рис. 5.1.1 - Обратное рассеивание светового потока

Затухания, связанные с изгибами оптического волокна. Различают два типа изгиба волокна: микроизгиб и макроизгиб.

Микроизгиб - это микроскопические изменения геометрии сердечника волокна, появляющиеся при производстве.

Макроизгибом называют большой изгиб оптического волокна, который превышает минимально допустимый радиус и заставляет световой поток (или часть его) покинуть сердцевину оптического волокна. Минимальный радиус изгиба одномодовых волокон составляет 10 сантиметров. При таком изгибе световой импульс распространяется без сильных искажений. Уменьшение же радиуса изгиба приводит к значительному повышению эффекта рассеивания оптического импульса через оболочку волокна.
Для определения полного коэффициента затухания оптического волокна должны быть учтены все факторы, перечисленные выше (рис. 5.1.2).


Рис. 5.1.2 - Факторы, определяющие величину затухания оптического волокна

Коэффициент затухания для заданной длины волны оптического излучения определяется как отношение вводимой в волокно оптической мощности к мощности принятого из волокна оптического сигнала. Обычно коэффициент затухания измеряется в децибелах (дБ) и зависит как от параметров оптического волокна, так и от длины волны светового потока. Последняя зависимость имеет нелинейный характер. Обобщенно она представлена на рис 5.1.3.


Рис. 5.1.3 - Зависимость величины затухания оптического излучения от длины волны

Представленный график имеет несколько участков, где затухание оптического сигнала минимально. Эти участки называются окнами прозрачности волокна.
Первое окно прозрачности расположено на длинах волн от 820 до 880 нм и используется в основном для передачи сигналов на короткие расстояния с использованием широкополосных светодиодных источников излучения и коротковолновых лазеров. Основное достоинство такой аппаратуры – ее дешевизна.
Второе окно прозрачности, от 1285 до 1330 нм, активно используется в телекоммуникациях. При относительно высоком затухании оптических сигналов, работающих в этом диапазоне, это окно прозрачности позволяет использовать оптические источники с широкой полосой излучения. Основная причина этого - минимальная величина хроматической дисперсии кварцевого стекла, позволяющая использовать дешевые источники излучения.
Третье окно прозрачности перекрывает диапазон длин волн от 1525 до 1575 нм. Основное достоинство его использования – минимальное затухание оптического сигнала. Однако передача высокоскоростных потоков данных в этом диапазоне сталкивается с обязательным условием компенсации повышенной дисперсии волокна, что ведет к повышению стоимости ВОЛС.

5.2 Дисперсия

Одним из факторов, сильно влияющих на качество передачи сигналов в световодах, является дисперсия. В общем случае, дисперсия - это "размывание" или растягивание светового импульса, происходящее во время передачи его в оптическом волокне. Дисперсия сильно ограничивает скорость работы оптических систем, заметно снижая граничную полосу пропускания.
Определены два основных вида дисперсии: модовая и хроматическая.
Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения. В отличие от идеального источника света, любой реальный источник излучает свет в некоторой полосе частот.

Составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс.
Скорость распространения света в оптическом волокне связана с коэффициентом преломления следующей зависимостью:

Cm= C/n,

где Cm - скорость распространения света в оптическом волокне, C - скорость света в вакууме, n- коэффициент преломления сердцевины волокна, который зависит от длины волны. Для прохождения по волокну длиной L световому импульсу требуется время t, определяемое как:

t = L/ Cm = Ln/C

Таким образом, мы видим зависимость времени прохождения светового импульса по оптическому световоду от показателя преломления оптического волокна.

Хроматическая дисперсия является мерой изменения показателя преломления материала сердечника световода и определяется, как первая производная коэффициента преломления:

M(l) = (1/c)·dn(l)/dl = (1/L)·dt(l)/dl ,

где l– длина волны оптического сигнала.


Хроматическая дисперсия выражается в пс/нм·км и физически может быть выражена как разница времени прохождения оптического световода длиной один километр сигналами двух длин волн, причём эти длины волн должны лежать в заданной полосе спектра излучения оптического источника.

Поскольку коэффициент преломления кварцевого стекла минимален при длине волны, равной 1300 нм, производная для этой точки равна нулю и, соответственно, хроматическая дисперсия пренебрежимо мала. Это одна из причин активного использования второго окна прозрачности в телекоммуникационной аппаратуре. Однако, существуют способы смещения дисперсии с помощью легирования кварцевого стекла. Такие световоды называются оптическими волокнами со смещенной дисперсией и могут иметь нулевую дисперсию на длине волны с минимальным затуханием (1550 нм). Это позволяет использовать их в оптических системах, требующих особенно большой полосы пропускания или больших пролетов кабеля с минимальным количеством пунктов переприемов, например для подводных кабельных сетей. На рисунке 6 представлены зависимости хроматической дисперсии от длины волны излучения для разных типов волокон. Здесь кривая 1 – хроматическая дисперсия чистого кварцевого стекла, кривая 2 – характеристика волокна со смещенной дисперсией.


Рис. 5.2.1 - Зависимость хроматической дисперсии от длины волны

Модовая дисперсия связана с различным временем прохождения участка волокна световых мод, двигающихся по разным траекториям.

В пределах числовой апертуры в многомодовое волокно может быть введено несколько сотен разрешенных мод. Все они будут распространяться по различным траекториям, имея различное время прохождения от источника до приемника. Суммарный импульс, полученный приемником сигнала, оказывается сильно растянутым во временной области. Наличие модовой дисперсии является недостатком многомодовых систем передачи. Эффект модовой дисперсии частично нивелируется смешением мод. При прохождении по оптическому волокну моды низших порядков, имеющие малые углы траектории по отношению к оси оптического световода преобразуются в моды более высокого порядка и наоборот. Таким образом, скорость прохождения участка волокна модами несколько усредняется. Однако надо понимать, что процесс такого усреднения происходит, прежде всего, за счет неоднородностей волокна, а они, в свою очередь, заметно увеличивают общее затухание сигнала.

Модовая дисперсия может быть полностью исключена, если структурные параметры волокна подбирать таким образом, чтобы по световоду распространялась только одна основная мода. Таким свойством обладают одномодовые оптические волокна. Однако основная мода передается по одномодовому волокну в виде двух ортогонально ориентированных волновых составляющих. Вследствие неидеальности геометрических размеров сердцевины, а также различного рода механических и оптических факторов появляется некоторая асимметрия показателя преломления и, как следствие, разность скоростей распространения двух ортогонально ориентированных мод. Суммарный световой импульс на выходе из световода, таким образом, получается несколько искаженным (Рис. 5.2.2).

Разность времени распространения ортогонально ориентированных мод одномодового оптического волокна, выраженная в пикосекундах, определяется через поляризационную модовую дисперсию (ПМД). При распространении обе составляющие основной моды взаимодействуют между собой. Из-за такого обмена энергией ПМД носит статистический характер.


Рис. 5.2.2 - Передача светового импульса по одномодовому оптическому волокну

Существует понятие длины взаимодействия мод Lc. Если длина световода меньше Lc, то ПМД увеличивается линейно, при превышении Lc ПМД возрастает пропорционально квадратному корню длины световода L. Как уже отмечалось выше, основной причиной увеличения ПМД является асимметрия показателя преломления сердцевины волокна. Появление такой асимметрии связано, прежде всего, с неидеальностью геометрических размеров сердцевины, но на её величину ощутимо влияют также и такие факторы, как перегибы волокна, повив волокон в кабеле, поперечные и продольные напряжения волокон. Все эти факторы закладываются еще на этапе производства кабеля. Величина ПМД волокон кабеля, измеренная на кабельном барабане перед началом строительства, после прокладки кабеля изменится незначительно.

Поляризационная модовая и хроматическая дисперсии существенно ограничивают возможности передачи оптических сигналов по волокну и после затухания являются наибольшим препятствием для повышения дальности работы цифровых систем. Хроматическая дисперсия может быть компенсирована, как с помощью уменьшения полосы излучаемого спектра лазерного источника, так и смещением хроматической дисперсии кабеля в область более высоких длин волн. Компенсация ПМД невозможна и может быть понижена только с увеличением качества оптических волокон и кабелей. Величина 0,5 пс/vкм является фактически принятым международным стандартом максимально допустимого ПМД. В рекомендациях, касающихся линий дальней передачи, прослеживается тенденция устанавливать требование, ограничивающее величину ПМД не более 0,1 пс/vкм. На рис 8 приведена зависимость битовой скорости от дальности работы системы передачи.


Рис.5.2.3 - Зависимость скорости передачи от длины волны оптического излучения.
5.3 Пропускная способность

В большинстве современных технологий информация по световодам передается с помощью импульсов в двухуровневой дискретной форме (есть сигнал – нет сигнала), аналога полярности электрического сигнала здесь нет. Информационная пропускная способность линии определяется ее полосой пропускания и принятой схемой кодирования. Полоса пропускания определяется как максимальная частота импульсов, различимых приемником. Полоса пропускания волоконной линии ограничивается из-за явления дисперсии, поэтому она зависит от длины. Особенно это заметно на многомодовом волокне.

Для многомодового волокна ширина полосы пропускания BW (МГц) связана с длиной L (км) через параметр, называемый полосой пропускания – А (МГц*км). Для одномодового волокна полоса пропускания зависит от молекулярной дисперсии и ширины спектра источника SW.

По полосе пропускания А можно определить максимальную частоту, при которой импульсы будут еще различимыми после прохождения через световод заданной длины. Можно решить и обратную задачу – определить максимальную длину световода, пропускающего импульсы заданной частоты. Коэффициент А приводится в спецификации на волокно и указывается для конкретной длины волны. Современные многомодовые кабели имеют А=160-500 МГц*км. Что касается современных одномодовых кабелей и лазерных излучателей, то они обеспечивают полосу пропускания порядка 1 ГГц при длине линии 100 км.

Эффективность использования полосы пропускания определяется принятой схемой кодирования. В технологии FDDI (и 100BaseFX), например, применяется физическое кодирование по методу NRZI, при котором один бит передается за один такт синхронизации. Это означает, что каждые 4 бита полезной информации кодируются 5-битным символом, передаваемым за 5 тактов. Таким образом, коэффициент использования полосы пропускания составляет 4/5=0,8, и для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с требуется обеспечить передачу импульсов с частотой (полосой) 125 МГц.

В технологиях современных поколений используется когерентное излучение с модуляцией частоты или фазы сигнала. При этом достигается пропускная способность, измеряемая гигабитами в секунду при длине в сотни километров без регенерации. Другое направление — солитоновая технология, основанная на передаче сверхкоротких (10 пс) импульсов-солитонов. Эти импульсы распространяются без искажения формы, и в идеальной линии (без затухания) дальность связи не ограничена при гигабитных скоростях передачи. Для этих технологий, пока не имеющих отношения к локальным сетям, пропускная способность линии определяется иными способами.

6 Источники и приемники излучения

В качестве источников излучения используются светодиоды и полупроводниковые лазеры. Светодиоды (LED – Light Emitted Diode) являются некогерентными источниками, генерирующими излучение в некоторой непрерывной области спектра шириной 30-50 нм. Из-за значительной ширины диаграммы направленности их применяют только при работе с многомодовым волокном. Самые дешевые излучатели работают в диапазоне волн 850 нм (с них началась волоконная связь). Передача на более длинных волнах эффективнее, но технология изготовления излучателей на 1300 нм сложнее и они дороже.

Лазеры являются когерентными источниками, обладающими узкой спектральной шириной излучения (1-3 нм, в идеале – монохромные). Лазер дает узконаправленный луч, необходимый для одномодового волокна. Длина волны – 1300 или 1550 нм, осваиваются и более длинноволновые диапазоны. Быстродействие выше, чем у светодиодов. Лазер менее долговечен, чем светодиод, и более сложен в управлении. Мощность излучения сильно зависит от температуры, поэтому приходится применять обратную связь для регулировки тока. Лазерный источник чувствителен к обратным отражениям: отраженный луч, попадая в оптическую резонансную систему лазера, в зависимости от сдвига фаз может вызвать как ослабление, так и усиление выходного сигнала. Нестабильность уровня сигнала может приводить к неработоспособности соединения, поэтому требования к величине обратных отражений в линии для лазерных источников гораздо жестче. Лазерные источники применяются и для работы с многомодовым волокном (например, в технологии Gigabit Ethernet 1000Base-LX). Спектральные характеристики излучателей изображены на рис. 6.1




Рис. 6.1 -Спектральные характеристики излучателей: а – светодиод, б – лазер



Детекторами излучения служат фотодиоды. Существует ряд типов фотодиодов, различающихся по чувствительности и быстродействию. Простейшие фотодиоды имеют низкую чувствительность и большое время отклика. Большим быстродействием обладают диоды, у которых время отклика измеряется единицами наносекунд при приложенном напряжении от единиц до десятков вольт. Лавинные диоды обладают максимальной чувствительностью, но требуют приложения напряжения в сотни вольт, и их характеристики сильно зависят от температуры. Зависимость чувствительности фотодиодов от длины волны имеет явно выраженные максимумы на длинах волн, определяемых материалом полупроводника. Самые дешевые кремниевые фотодиоды имеют максимальную чувствительность в диапазоне 800-900 нм, резко спадающую уже на 1000 нм. Для более длинноволновых диапазонов используют германий и арсенид индия и галлия.

На основе излучателей и детекторов выпускают готовые компоненты – передатчики, приемники и приемопередатчики. Эти компоненты имеют внешний электрический интерфейс ТТЛ или ЭСЛ. Оптический интерфейс – коннектор определенного типа, который часто устанавливают на отрезок волокна, приклеенный непосредственно к кристаллу излучателя или детектора.

Передатчик (transmitter) представляет собой излучатель со схемой управления. Основными оптическими параметрами передатчика являются выходная мощность, длина волны, спектральная ширина, быстродействие и долговечность. Мощность передатчиков указывают для конкретных типов волокон (чтобы в расчетах не учитывать диаграмму направленности, диаметр и апертуру излучателя).

Приемник (receiver) – это детектор с усилителем-формирователем. Приемник характеризуется диапазоном принимаемых волн, чувствительностью, динамическим диапазоном и быстродействием (полосой пропускания).

Поскольку в сетях всегда используется двунаправленная связь, выпускают и трансиверы (transceiver) – сборку передатчика и приемника с согласованными параметрами.

7 Оптические соединители

Оптические соединители предназначены для постоянного или временного, разъемного или неразъемного соединения волокон. Основные параметры соединителя – вносимые потери и уровень обратного отражения. Для минимизации потерь необходимо точное взаимное позиционирование соединяемых волокон, что особенно сложно достичь для одномодовых волокон. Важной характеристикой соединителей является диапазон рабочих температур – тепловое расширение компонентов соединителя влияет на точность позиционирования со всеми вытекающими последствиями. Качество соединений сильно связано со стоимостью соединителей или необходимого оборудования, поэтому идеального соединителя на все случаи жизни нет.

7.1 Неразъемные соединители

Самое лучшее постоянное неразъемное соединение волокон обеспечивает сварка – вносимые потери < 0,05 дБ (типовое значение 0,01 дБ для ММ и 0,02 дБ для SM), обратные отражения < -60 дБ. Перед сваркой волокна освобождают от защитного буфера и специальным инструментом скалывают кончики. Качественно выполненная операция обеспечивает довольно гладкую поверхность скола, перпендикулярную к оси волокна. Подготовленные концы закрепляют в сварочном аппарате, который осуществляет точное позиционирование волокон по трем координатам. Позиционирование выполняется автоматически или вручную, под наблюдением через микроскоп. После точного совмещения стык сваривается электрической дугой. Место сварки из-за внутренних напряжений становится довольно хрупким. От излома его защищают специальной термоусадочной трубочкой, которую надевают на один из концов до сварки, а потом надвигают на стык и нагревают. Главный недостаток сварки – необходимость использования дорогого оборудования и источника электроэнергии на месте работы. Сварка в основном применяется при прокладке длинных линий, где большое количество стыков ставит жесткие ограничения на вносимое затухание и надежность соединения.

Для неразъемного (постоянного или временного) соединения волокон без использования сварки применяют механические соединители – сплайсы (splice). Сплайсы фиксируют волокна в требуемом положении и обычно допускают многоразовое использование.
7.2 Разъемные соединители

Для разъемного соединения двух волокон на их концы устанавливают коннекторы (connector), они же вилки, которые вставляют в соединительные розетки (receptacle), изображенные на рис. 7.2.1

Коннектор имеет два функциональных элемента – корпус 1 и наконечник 2. Наконечник (ferrule), закрепляемый на волокне, обеспечивает его центровку в розетке. От материала, из которого изготовлен наконечник, зависит качество коннектора – уровень вносимых потерь. Лучшим материалом считается керамика – допуски при ее обработке минимальны, затем идет нержавеющая сталь, самые дешевые коннекторы имеют пластмассовый наконечник. Волокно закрепляется в наконечнике либо с помощью эпоксидного клея (традиционный способ), либо с помощью обжима соответствующей детали коннектора. Выступающий кончик волокна скалывают и полируют. Полировка необходима для того, чтобы стыкуемые волокна в наконечниках могли как можно ближе придвигаться друг к другу, а шероховатости поверхностей не вносили бы дополнительных потерь. Наконечник закрепляется в корпусе коннектора либо неподвижно, либо относительно свободно. Корпус обеспечивает закрепление кабеля и фиксацию коннектора в розетке. “Плавающее” закрепление наконечника защищает сам оптический стык от механических воздействий на корпус коннектора и кабель.



Рис. 7.2.1 Разъемные соединители


Розетка состоит из корпуса и центрирующей вставки. Корпус розетки 3 обеспечивает ее крепление на панели и фиксацию коннекторов. Вставка 4 обеспечивает точное взаимное позиционирование наконечников коннекторов. Материал вставки – керамика или бронза – влияет на качество соединителя, им определяется точность позиционирования наконечников.

По типу соединяемых волокон разъемы делятся на одномодовые и многомодовые. Для одномодовых требуется более высокая точность позиционирования (из-за малого диаметра сердцевины волокна). Здесь для наконечников коннекторов и центрующих вставок розеток обычно используют керамику, которую можно обрабатывать с меньшими допусками. В таких коннекторах часто применяют “плавающий” наконечник, чтобы внешние механические воздействия не приводили к нарушению позиционирования. Некоторые типы коннекторов выпускают с внутренним диаметром наконечника 125, 126 и 127 мкм, что связано с допуском на наружный диаметр оболочки волокна. При сборке таких коннекторов подбирают наконечник с минимальным диаметром, который удается надеть на конкретное волокно. Этим достигается наибольшая точность центровки. Для снижения уровня обратных отражений применяют наконечники с полировкой PC и АРС. По этим причинам одномодовые коннекторы дороже многомодовых вариантов коннекторов того же типа. Одномодовые коннекторы можно использовать и для многомодового волокна, но это слишком дорого.

Цветовая маркировка (по TIA/EIA-568A): многомодовые коннекторы и адаптеры (розетки) – бежевые, одномодовые — синие.

По количеству соединяемых волокон коннекторы делятся на одинарные (симплексные), дуплексные (двойные) и многоканальные.

В оптических коннекторах используются разные механизмы фиксации. Поворотные фиксаторы — байонетные (ST) или винтовые (FC) — не позволяют получать дуплексные конструкции с высокой плотностью портов. Гораздо удобнее фиксация “тяни-толкай” (push-pull), применяемая в разъемах SC (одиночных и дуплексных).

7.3 Типы коннекторов

В отличие от электрических разъемов, из которых в сетях применяется в основном один тип (RJ-45), оптических коннекторов существует великое множество, что не способствует удешевлению оптических технологий. Разъемы различаются размерами, формой, способом фиксации коннектора, количеством соединяемых волокон, простотой установки и требуемым для этого инструментом. При кажущейся простоте этих изделий они имеют высокую цену, обусловленную необходимостью применения прецизионной механической обработки деталей из специальных материалов для получения стабильных и повторяемых характеристик при работе в заданном диапазоне температур с гарантированным числом циклов соединений.

Коннекторы ST – одиночные, с байонетной фиксацией, диаметр наконечника 2,5 мм. Потери 0,2-0,3 дБ. Технология установки – клеевая или обжимная. Стандартами СКС допускаются, если уже используются в существующих линиях, но не рекомендуются для новых инсталляций.

Коннекторы ХТС – вариант ST с технологией обжима Light Crimp (только для ММ).

Коннекторы SC и SC Duplex – одиночные и дуплексные, диаметр наконечника 2,5 мм. Потери 0,2-0,3 дБ. В дуплексном варианте два одиночных коннектора объединяются общим зажимом или соединяются защелками. Фиксация “тяни-толкай”. Технология установки – клеевая или обжимная (Light-Crimp – только для ММ). Стандарты СКС рекомендуют этот тип для использования в кабельной сети здания.

Коннекторы FC и FC/PC – одиночные, с резьбовой фиксацией, диаметр наконечника 2,5 мм. Потери 0,2-0,3 дБ. Наконечник “плавает” относительно корпуса и оболочки кабеля. Устойчивы к вибрациям и ударам. Эффективны для SM-волокна, применяются в бортовых системах, кабельном телевидении, дальней связи.

Коннекторы FDDI – дуплексные, диаметр наконечника 2,5 мм. Фиксация с помощью двух боковых пружинящих защелок. Коннектор довольно громоздкий и дорогой. В основном применяется в аппаратуре FDDI. Система ключей предотвращает неправильное использование портов.

Рассмотренные выше коннекторы по сравнению с электрическими довольно громоздки, они не позволяют обеспечить высокую плотность портов на распределительных панелях и активном оборудовании. В TIA/EIA при разработке новой редакции стандарта 568 была предпринята попытка покончить с многообразием коннекторов и определить единый малогабаритный абонентский дуплексный соединитель, вписывающийся в габариты малогабаритной розетки RJ-45. Однако принять единый из нижеследующих так и не удалось.

Коннектор MT-RJ – малогабаритный дуплексный, имеет двухволоконный наконечник с закрепленными и отполированными фрагментами волокна. Фиксируется защелкой, предназначен для проводки внутри здания. Для оконцовки необходимо лишь зачистить кабель, сколоть волокна и зафиксировать их, как в сплайсе CoreLink. Выпускается для одномодовых и многомодовых (50/125 и 62,5/ 125) волокон. Уровень обратных отражений -44 дБ.

Коннектор OptiSPEED LC – улучшенный малогабаритный дуплексный вариант SC. Фиксация аналогична RJ-45. Потери 0,1-0,2 дБ, обратные отражения -20 дБ для ММ и -40 дБ для SM.

Коннектор OPTI-JACK – дуплексный, диаметр наконечника 2,5 мм, фиксация аналогична RJ-45. Потери 0,19 дБ SM и 0,16 дБ ММ, обратные отражения -20 дБ для ММ и -(40-45) дБ для SM.

Коннектор SCDC и SCQC – дуплексный и 4-канальный, наконечники 2,5 мм, фиксация аналогично SC.

Коннектор VF-45 – дуплексный, для выравнивания волокон используется V-образный профиль. Дешевый и простой в установке, потери 0,3 дБ, обратные отражения -20 дБ.

7.4 Розетки, адаптеры, аттенюаторы

Для каждого из вышеперечисленных типов коннекторов выпускаются розетки с различными вариантами крепления (резьба, фланец, защелки и т. п.). Для соединения разнотипных коннекторов применяют переходные розетки, среди которых распространены SC-ST SC-D-ST, SC-FC.

FM-адаптеры (Female-Male – вилка-розетка) представляют собой комбинацию коннектора и розетки со вклеенным отрезком волокна. Предназначены для защиты приемников и излучателей измерительной аппаратуры от механических повреждений при многократных подключениях-отключениях.

Адаптеры для обнаженного волокна применяют для временной оконцовки волокна (при тестировании). Они имеют коннектор с отполированным фрагментом волокна и подпружиненный фиксатор волокна. При нажатии на кнопку фиксатор открывается, и в адаптер можно ввести предварительно сколотое волокно. По отпускании кнопки волокно фиксируется. Адаптеры обеспечивают уровень вносимых потерь 1 дБ.

Аттенюаторы выполняются в виде розеток (фиксированные и регулируемые) или FM-адаптеров (только фиксированные).

8 Передатчики в ВОЛС. Полупроводниковые лазерные диоды

Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полупроводниковый прибор, как правило, с двойным гетеропереходом, предназначенным для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию вынужденного светового излучения.

У ЛД излучение индуцированное, поляризованное и когерентное.

Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения.

Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учёные Н.Г Басов, Ю.М. Попов и О.Н. Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учённых была присуждена Государственная премия.

Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетеро- перехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфёровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы светодиод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населённостей и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе “кристалл–воздух­­” получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%). Иногда наносят дополнительно отражающее покрытие на заднюю грань кристалла.
8.1 Квантовые переходы в веществе и процессы испускания и поглощения света.

Чтобы понять принцип работы лазера, рассмотрим упрощённую модель, имеющую два энергетических уровня Е1 и Е2 . При переходе между состояниями с энергией Е1 и Е221) излучение имеет частоту

ν21=(Е2–Е1)/h, (4)

т.е. в свободном пространстве длина волны излучения будет

λ21=hc/(E2–E1), (5)

где h – постоянная Планка.

При взаимодействии излучения с атомом, находящимся в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение кванта излучения и атом перейдет на верхний уровень (рис. 8.1.1 а)). Находящийся на уровне Е2 атом может перейти на уровень Е1 не только под действием первичного фотона, но и самопроизвольно или, как обычно говорят, спонтанно (рисунок 8.1.1 б)). Если атом находится на верхнем энергетическом уровне, то пролетающий фотон с энергией Е2 – Е1 может вызвать (индуцировать) переход Е2 Е1 , т.е. возвращение атома на нижний уровень. Переход Е2 Е1 сопровождается испусканием фотона (рисунок 8.1.1 в)). Новый фотон, как и исходный фотон, имеет энергию Е2 – Е1 . Более того, он имеет такое же направление импульса и такую же поляризацию. Иными



^ Рис. 8.1.1 – Схематическое представление процессов поглощения и излучения

а – поглощение; б – спонтанное излучение; в – индуцированное излучение

для идеализированной атомной системы с двумя разрешёнными энергетическими состояниями Е1 и Е2
словами, вторичный фотон (фотон, испущенный атомом в процессе перехода Е2Е1) оказывается в том же самом состоянии, в каком находится первичный фотон (фотон, вызвавший рассматриваемый переход).

Рассмотренный процесс называют вынужденным (индуцированным) испусканием света. Чем больше имеется первичных фотонов, тем выше вероятность того, что атом, находящийся на уровне Е2 , совершит переход на уровень Е1 .

Предположим, что имеется много атомов на уровне Е2 . Пролетая мимо них, первичный фотон может инициировать переход Е2 Е1 во многих атомах, т.е. может инициировать рождение не одного, а целой лавины вторичных фотонов. Все эти фотоны будут рождаться в том же самом состоянии, в каком находится первичный фотон.
8.2 Инверсия населённостей

Фотон с энергией Е2 – Е1 может с равной вероятностью инициировать как переход Е1 Е2 , так и переход Е2 Е1 . Всё дело в том, на каком энергетическом уровне находится взаимодействующий с фотоном активный центр. Если на нижнем рабочем уровне (Е1) находится больше активных центров, чем на верхнем уровне (Е2), то будут преобладать процессы поглощения света. Если же, наоборот, на уровне Е1 находится меньше активных центров, чем на уровне Е2 , то будут преобладать процессы вынужденного испускания света.

Нам важно, чтобы наоборот, преобладали процессы вынужденного испускания света. Следовательно, необходимо, чтобы населённость верхнего рабочего уровня оказалась выше населённости нижнего уровня, т.е. чтобы выполнялось условие

,

называемое условием инверсии (обращения) населённостей рабочих уровней. Активную среду, для активных центров которой выполняется условие инверсии, называют инвертированной активной средой.
8.3 Принцип действия ЛД

Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.

Простое повышение тока накачки ещё не обеспечит генерацию оптической волны. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обеднённого слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Такое устройство при наличии инверсии населённостей будет выполнять функции оптического усилителя.

Поскольку энергия фотона 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, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий фотон приводит к излучению ещё одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растёт лавинообразно, и излучение усиливается. Упрощённая физическая модель лазера приведена на рис. 8.3



^ Рис. 8.3 – Упрощённая физическая модель лазера

Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населённостей, заключена между двумя зеркалами 3 , которые отражают часть потока фотонов и возвращают её в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным

Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.

^ Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки IН создаёт инверсную населенность уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населенность электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населённости более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки IН некоторого порогового значения IП (IН > IП).

Источник тока накачки IН создаёт необходимую концентрацию носителей в обеднённом слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселены электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны. Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.

^ Фазовое условие. Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн :

;k= 1, 2, 3… , (6)

где L – длина пути, по которому распространяется излучение; k – целое число.

Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создаёт положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько "почти" монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k.

^ Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри АО относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбуждёнными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счёте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы АО.

Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. Поскольку свет заводится в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.

^

8.4 Устройство ЛД


Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P и P-p-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся строением кристаллической решётки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.

За счёт применения ДГС появляется возможность:

  • увеличения эффективности инжекции;

  • увеличения внутренней квантовой эффективности;

  • уменьшения потерь излучения на поглощение в материале ЛД.

На рис.8.4.1 показана упрощённая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P.

Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, при котором формируемый поток фотонов распространяется вдоль обеднённого слоя.



Рис. 8.4.1 – Схема поперечного сечения полоскового лазера типа P-p-N
Активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На её границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, "превращают" активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор.

Для ВОЛС используются лазеры только полосковой геометрии. В них активная область лазера создаётся в форме полоски, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Они обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими вариантами приборов:

  • излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со световодом;

  • лучше теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника;

  • уменьшается рабочий ток лазера.



^

8.5 Характеристики ЛД


К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

  • мощность излучения;

  • диаграмма направленности излучения;

  • длина волны излучения моды;

  • спектральная ширина;

  • поляризация излучения;

  • быстродействие;

  • срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рис.8.5.1.



Рис.8.5.1 – Ватт-амперные характеристики полупроводникового ЛД

При малых токах накачки (I < IП) лазер работает подобно СИД: происходит спонтанная излучательная рекомбинация и излучение ЛД некогерентно и неполяризовано. При превышении порогового значения тока (I > IП) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путём изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.

Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно выходной оптической мощности лазера. Следует особо подчеркнуть, что лазер является источником света с ограниченной пиковой мощностью. Это связано с тенденцией уменьшения мощности при больших токах накачки и с оптическим саморазрушением. Отметим ещё одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка используется электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.

Для систем оптической связи используются лазеры у которых с одного торца резонатора излучается 520мВт при ширине полоскового контакта 10­20мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.

Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения ЛД показана на рис.8.5.2 а). Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 8.5.2 б)). Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 200 в плоскости, параллельной переходу, и более 400 в перпендикулярной плоскости. На рис.8.5.2 в) показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.



Рис.8.5.2 – Диаграмма направленности оптического излучения ЛД

а – диаграмма направленности; б – зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях; в – конус излучения
Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

^ Длина волны излучения моды. Длиной волны излучения моды считается длина волны λ0, на которой выходная мощность максимальна.

Спектральная ширина. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. На рис.8.5.3 показана зависимость спектральной мощности Р(λ) от длины волны для ЛД.

У многомодовых ЛД ширина каждой отдельной линии Δλ=1– 3нм, интервал между ними составляет 2­5нм. У одномодовых ЛД ширина линии Δλ=0,1 – 0,4нм.

Главная отличительная черта спектра ЛД – линейчатая структура и значительно более узкий спектр по сравнению с СИД.


^ Рис.8.5.3 – Спектральная характеристика многомодового (а) и одномодового (б) ЛД
Поляризация излучения. Лазерный диод обеспечивает генерацию нескольких отдельных «почти» монохроматических волн, которые можно считать частично поляризованными – ориентация векторов электромагнитного поля определена топологической схемой ЛД, в отличие от СИД, где излучение не обладает поляризацией, т.е. векторы электромагнитного поля ориентированы случайным образом.

Быстродействие. Скорость включения и выключения источника должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Скорость источника, как указывалось выше, определяется временем нарастания и спада сигнала. Лазеры имеют время нарастания τнар<1нс, в то время как τнар у СИД – несколько наносекунд. Максимальная частота модуляции, которой оценивается быстродействие источников излучения, у ЛД достигает нескольких гигагерц, что значительно больше чем у СИД.

^ Срок службы. До недавнего времени лазерного диоды обладали значительно меньшей надёжностью, чем СИД, так как они требовали бóльших токов накачки. В настоящее время удалось значительно повысить надёжность ЛД и приблизить их к СИД по времени наработки на отказ, которое составляет 50 тыс. часов и более (5–8 лет).
9 Разработка и расчет принципиальной схемы оптического передатчика в ВОЛС

9.1 Общие положения и рекомендации по расчету принципиальной схемы устройства

Первым этапом при проектировании принципиальной схемы передающего устройства ВОЛС является выбор типа и марки оптического излучателя исходя из предъявляемых к его техническим характеристикам требований. К основным техническим характеристикам излучателей относятся:

  • мощность излучения;

  • длина волны излучения;

  • ширина спектра излучения;

  • частота модуляции;

  • ток накачки;

  • пороговый ток



Для правильного выбора оптического излучателя в первую очередь следует задаться верным значением мощности излучения. Для этого необходимо определить требуемую оптическую мощность на выходе оптического передающего устройства. Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателя принимается на основании соответствия технических характеристик прибора требуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастания мощности оптического сигнала.

^ Вторым этапом является выбор транзистора VT1 в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора (Рис. 9.1.1). Транзистор выбирают исходя из характеристик определённого на предыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и порогового тока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистора и его граничную частоту. Затем задаётся рабочая точка и производится расчёт элементов схемы модулятора.

^ На третьем этапе необходимо рассчитать согласующий усилитель(СУС). Здесь представляется целесообразным использование быстродействующего операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя напряжение – ток (рис. 9.1.1). Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение – ток.

^ Четвёртый этап – организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод VD2, подключенный к одному из полюсов направленного оптического разветвлителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рис. 9.1.1)



Рис. 9.1.1 – Принципиальная схема оптического передающего устройства в ВОЛС
  1   2



Скачать файл (1242.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации