Волоконно-оптические системы передачи данных

Задание №1

Ответьте письменно на следующие вопросы:
1) Какие диапазоны длин волн (частоты электромагнитных колебаний) применяются в системах передачи атмосферной и волоконно-оптической связи?
Применяют инфракрасный диапазон длинноволновой области, к наиболее эффективным длинам волн относятся: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм (окна прозрачности с наименьшим затуханием на этих длинах волн).

2) По каким причинам происходит ослабление и искажение оптических сигналов в волоконном световоде?
Ослабление оптического сигналов в оптоволокне вызвано:
 собственным поглощением, это электронные переходы системы энергетических уровней молекулы кварца в ультрафиолетовой области спектра (ультрафиолетовое поглощение) и в инфракрасной области спектра (инфракрасное поглощение);
 Рэлеевским рассеянием сигнала;
 наличием сварных соединений;
 наличием макро и микроизгибов оптоволокна;
 наличием оптических разъемов (Френелевское отражение);
 наличием молекул воды, гидроксильных групп.
Наличие линейных и нелинейных явлений, проявляемых в оптоволокне вызывают искажение оптического сигнала. К линейным явлениям относится: километрическое затухание и дисперсия. К нелинейным: фазовая кросс-модуляция; фазовая самомодуляция, четырехволновое смешение, поляризационно-модовая дисперсия.

3) Какие материалы применяют для изготовления источников и приемников оптического излучения?
Для изготовления источником и приемников оптического излучения применяют полупроводниковые материалы n-типа, p-типа, i-типа. Исходя из используемых в ВОСП спектральных диапазонов длин волн 0,8…1,6 мкм определено, что им соответствуют энергии запрещенной зоны Eg = 0,1...5 эВ, которыми обладают полупроводники III, IV, V групп таблицы Менделеева.

4) Из каких компонентов состоит структурная схема волоконно-оптической системы передачи (ВОСП)?
Волоконно-оптическая система передачи (рисунок 1.1) включает в себя следующие компоненты:
 приемо-передающая аппаратура (оптические мультиплексоры/ демультиплексоры, источники и приемники оптического излучения, медиаконверторы, транспондеры);
 волоконно-оптический кабель;
 оптические усилители;
 оптические кросс-коммутаторы;
 компенсаторы дисперсии.


Рисунок 1.1 – Обобщенная структурная схема ВОСП

5) Что представляет собой линейный тракт ВОСП?
Линейны тракт ВОСП представляет собой совокупность оптического кабеля, линейных усилителей, промежуточных (транзитных) пунктов, линейных компенсаторов дисперсии, которые устанавливаются между оконечными пунктами.

6) Какие виды мультиплексирования применяются в оптических системах передачи?
В ВОСП применяют два вида мультиплексирования:
 временное мультиплексирование (технология SDH - синхронная цифровая иерархия);
 волновое мультиплексирование (технология WDM - волновое спектральное мультиплексирование).

7) Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?
К источникам оптического излучения предъявляют требования:
 совместимость с оптической средой передачи, т.е. длина волны излучения должна соответствовать окнам прозрачности оптоволокна;
 высокая мощность излучения и эффективный ввод излучения в волокно;
 узкая спектральная полоса излучения и высокое быстродействие при модуляции;
 длительный срок службы (не менее 105 часов);
 устойчивость источника к перегрузкам и изменению параметров окружающей среды;
 высокая технологичность производства и миниатюрность исполнения.
8) Чем отличаются конструкции и характеристики торцевого (суперлюминесцентного) и поверхностного светодиодов для оптической связи?
Различают две структуры СИД (светоизлучающий диод): поверхностный СИД (рисунок 1.2) и торцевой СИД (рисунок 1.3).
В поверхностном СИД – излучение выводится с поверхности активного слоя в перпендикулярной ему плоскости. Оптическое волокно («пиглейл») присоединяется к поверхности источника через специальную выемку в полупроводниковой подложке, что обеспечивает эффективный ввод мощности спонтанного излучения в световод.

Рисунок 1.2 – Конструкция поверхностного СИД

В торцевом СИД – излучение выводится с одного торца активного слоя в параллельной к нему плоскости. Другой торец активного слоя выполняется в виде зеркала. Излучающий торец согласуется с ОВ линзовой системой.


Рисунок 1.3 – Конструкция торцевого СИД

В суперлюминесцентных диодах (СЛД) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное - вынужденное излучение – является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД обладает высоким оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. По конструкции СЛД соответствует торцевому СИД, но работает при более высоких токах инжекции от 50 до 100 мА.

9) Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?
В системах ВОСП применяю следующие лазеры:
-лазер с резонатором Фабри-Перо;
-лазер с распределенной обратной связью РОС-лазер (DFB).
-лазер с распределенным Брэгговским отражение РБО-лазеров (DBR)
-лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL - vertical-cavity surface-emitting lasers).

10) Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?
Резонатор Фабри – Перо состоит из двух расположенных параллельно друг другу зеркала, выполненных на основе отполированных граней полупроводникового кристалла (рисунок 1.4).
К основным характеристикам резонатора Фабри-Перо относится:
1 Расстояние между модами

m=о2/ 2*L*n,

где 0 – центральная длина волны;
L – длина резонатора;
n – показатель преломления материала резонатора.
2 Число мод:



3 Добротность резонатора на центральной длине волны:

,

где R0.3 – коэффициент отражения зеркал резонатора.
Добротность колебательной системы, характеристика резонансных свойств системы, показывающая, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает их амплитуду вдали от резонанса. Чем выше добротность системы, тем меньше потери энергии в ней.
4 Частота моды:

,
где m – модовое число (номер моды).
В одномодовом режиме величина подавления боковые мод излучения лазера должна быть не менее 30 дБ.



Рисунок 1.4 – Структура резонатор Фабри – Перо

11) Каким образом в лазерах достигается одномодовый режим генерации?
Одномодомый режим достигается за счет явления интерференции, которое возникает за счет сложной структуры лазера. К такой структуре можно отнести неравномерный показатель преломления (гофр структура) между слоями полупроводника p/n - типа или дифракционная решетка. За счет такой структуры, сгенерированные оптические моды будут интерферировать между собой, и на выходе будем наблюдать одну оптическую моду.

12) Какими характеристиками обладает ППЛ и СИД?
Характеристики источников излучения:
1) Ватт - амперная характеристика (ВтАХ, ВАХ) – это зависимость мощности излучения от тока инжекции или накачки (рисунок 1.5 и 1.6).


Рисунок 1.5 – Ватт-амперная характеристика СИД Рисунок 1.6 – Ватт-амперная характеристика ЛД

2) Диаграмма направленности излучения показывает распределение мощности в пространстве (рисунок 1.7 и 1.8). Угловая расходимость излучения оценивается на уровне, уменьшение максимального излучения в два раза. Для СИД в параллельной и перпендикулярной плоскости: x,y – 90о-180о, для ЛД: х=20-30о y=30-60о.



Рисунок 1.7 – Диаграмма направленности СИД Рисунок 1.8 – Диаграмма направленности ЛД

3) Спектральная характеристика – зависимость относительной мощности излучения от длины волны (рисунок 1.9). По спектральной характеристике на уровне 0,5 от максимальной мощности (Pumax) определяется ширина спектра излучения источника ().



Рисунок 1.9– Спектральные характеристики источников

4) Быстродействие источника – определяет время преобразования электрического сигнала в оптический сигнал. На выходе источника импульс считается преобразованным, если его мощность достигла значения 0,9 Pumax. Быстродействие характеризуется через время нарастания н – это время в течение, которого амплитуда импульса изменяется от уровня 0,1 до 0,9 от максимальной мощности (Pumax).
Время нарастания определяет максимальную частоту модуляции источника:
-для СИД н5 нс, f = 70МГц
-для ЛД н=0,15 нс, f = 70МГц
5) Время деградации определяется уменьшением излучаемой мощности в два раза при одном и том же токе накачки.

13) Что такое модуляция?
Модуляция – это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного сигнала (оптического сигнала длиной волны 1,3 или 1,55 мкм) по закону информационного низкочастотного процесса. В системах ВОСП распространенный тип модуляции является модуляция интенсивности, когда изменяется мощность (интенсивность) оптического сигнала в зависимости от поступающего логического информационного элемента 0/1.

14) В чем состоит принципиальное отличие прямой и внешней модуляций оптического излучения?
1) Наиболее простым с точки зрения реализации видом модуляции 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 1.10).



Рисунок 1.10 – Принцип прямой модуляции

Если в качестве модулирующего сигнала используется электрический цифровой сигнал, то на выходе источника формируется оптический сигнал с двумя дискретными значениями мощности Pmax и Pmin. Pmax – соответствует "1" информационного сигнала. Pmin – соответствует "0" информационного сигнала.
2) Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения при прохождении светового луча через какую-либо оптическую среду (рисунок 1.11).


Рисунок 1.11 – 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 эффект (интерферометр Маха-Цендера).

15) Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции?
Причина искажения оптического сигнала на выходе источника излучения обусловлено его быстродействие, чем выше частота информационного сигнала (эклектических импульсов) тем медленней будет включаться СИД или ЛД, это хорошо поясняется рисунком 1.12.
Для светоизлучающего диода, время включения будет больше,, чем у лазерного диода, из-за этого СИД не применяют в высокоскоростных ВОСП, более 100 Мбит/с. Для ЛД максимальная частота модуляции - 10 ГГц, при передачи трафика свыше 10 Гбит/с необходимо применять внешнюю модуляцию.



Рисунок 1.12 – Временные диаграммы, поясняющие время включения источника излучения

16) Какие виды внешней модуляции оптического излучения применяются в системах передачи SDH, DWDM?
В системах SDH и DWDM при передачи трафика со скоростью до 10 Гбит/с применяют внутреннюю модуляцию, при передачи трафика более 10 Гбит/с применяют внешнюю модуляцию.

17) Как устроен передающий оптический модуль (изобразить схему)?
На рисунке 1.13 представлен передающий оптический модуль ВОСП (ПрОМ).


Рисунок 1.13 – Типовая схема ПрОМ
Состав ПрОМ:
 электрические интерфейсы по рекомендации G-703;
 блок формирования тока накачки, содержащие электрические преобразователи и схему тока накачки. При прямой модуляции электрические преобразователи изменяют ток накачки в соответствии с передаваемым сигналом;
 контроль оптического сигнала содержит фотодиод для контроля величины оптической мощности и устройства подстройки тока накачки и смещения;
 температурный контроль содержит терморезисторы и охладитель;
 дополнительные блоки оптического модулятора и аттенюатора.

18) Какие электрические и оптические характеристики имеет передающий оптический модуль?
Основные параметры и характеристики ПрОМ:
1)Входное напряжение (рабочее напряжение) – значение напряжения электрического сигнала на входе модуля, работающего в заданном режиме эксплуатации.
2)Средняя мощность излучения – среднее значение мощности оптического излучения на выходном оптическом интерфейсе модуля за заданный интервал времени, при заданной диаграмме направленности и входном напряжении.
3)Рабочая длина волны – длина волны на выходе модуля, на которой нормированы его параметры.
4)Ширина спектра – определяемая спектральными компонентами уровень мощности, которых выше половины максимальной мощности излучения.
5)Скорость передачи – скорость передачи символов цифрового сигнала на входе ПОМ, при котором его параметры сохраняют заданные значения.
6)Напряжение (фототок) встроенного фотодиода.
7)Сопротивление терморезистора.
8)Максимальное напряжение (ток) термоохладителя.

19) Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?
Требования к фотоприемным устройствам ВОСП:
1)Для получения эффективного оптоэлектронного преобразования спектральные характеристики фотоприемника и источника должны быть огласованы.
2)При преобразовании фотоприемник должен вносить минимально возможные шумы и искажения, то есть иметь низкий уровень шумов, обладать требуемой чувствительностью, быстродействием и динамическим диапазоном.
3)Конструкция фотоприемника должна обеспечивать надежное соединение с оптическим волокном.
4)Длительный срок службы и возможность использования в интегральных схемах.

20) Какие виды фотодетекторов используются в оптических системах передачи?
В системах ВОСП применяются два типа фотодиодов: p-i-n фотодиод и лавинный фотодиод (ЛФД).

21) Какие основные оптические и электрические характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?
Основные оптические и электрические характеристики:
1 Токовая чувствительность SТЧ определяется отношением фототока к оптической мощности:


Для p-i-n фотодиода SТЧ=0,50,9 А/Вт, для ЛФД SТЧ=2060 А/Вт
2 Внутренняя квантовая эффективность вн – это безразмерная величина, определяющая соотношение числа электронов и фотонов в фотодиоде.


Для pin ФД вн=0,30,5, для ЛФД вн= 0,60,8.
3 Широкополосность определяется на уровне 0,707 от максимальной спектральной чувствительности.