Диплом: Энергетические процессы в волоконно-оптических системах передачи
Содержание
Введение
1. Структурная схема волоконно-оптической линии передачи.
1.1 Моделирование электро-оптического преобразователя (ЭОП).
1.2 Параметры и характеристики светодиодов.
1.3 Параметры и характеристики лазерных диодов.
1.4 Математическая модель электро-оптического преобразователя.
Выводы
2. Моделирование оптико-оптического преобразователя.
2.1 Затухание света в оптическом волокне.
2.2 Дисперсия сигналов в оптическом волокне.
2.3 Математическая модель оптико-оптического преобразователя.
Выводы
3. Моделирование оптико-электрического преобразователя.
3.1 Параметры и характеристики p-i-n фотодиода
3.2 Параметры и характеристики лавинного фотодиода.
3.3 Математическая модель оптико-электрического преобразователя
Выводы
4. Моделирование электро-электрического преобразователя.
4.1 Шумы электронных усилителей
4.2 Шумы лазера
4.3 Математическая модель электро-электрического преобразователя.
Выводы
5. Расчет бюджета времени нарастания волоконно-оптической линии передачи.
6. Разработка программы моделирования волоконно-оптической линии передачи.
6.1 Алгоритм расчёта программы лPOWER-FOTL
6.2 Блок-схема программы лPOWER-FOTL
6.3 Описание работы с программой
6.4 Пример моделирования с программой лPOWER-FOTL
7.Экономическая оценка проектирования волоконно-оптической линии передачи с
использованием ЭВМ
8. Висновки та пропозицÿ.
9. Перелк посилань.
10. Додаток А. Лстнг програми. 11. Додаток Б. Креслення.
Введение
Современный этап развития техники связи характеризуется проведением
интенсивных разработок и внедрением волоконно-оптических систем передачи
(ВОСП) информации. Интерес к ним объясняется большими возможностями этой
новой области техники. Вырабатываются принципы построения таких систем и
реализации их компонентов, строятся и вводятся в эксплуатацию линии,
создаются условия для широкого их внедрения на действующих сетях связи.
Актуальность применения ВОСП обусловлена рядом их преимуществ по сравнению с
системами передачи, использующими кабели с металлическими жилами.
Основные преимущества ВОСП:
1. высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним
электромагнитным полям и практически полное отсутствие взаимных влияний между
отдельными волокнами многоволоконного ОК;
2. потенциально большая широкополосность (информационная ёмкость);
3. небольшая масса и габариты ОК (примерно в 10 раз меньше по сравнению с
традиционными кабелями при одинаковом числе каналов связи). Это уменьшает
стоимость и время прокладки ОК;
4. полная электрическая развязка между входом и выходом системы связи, не
требуется общее заземление передатчика и приёмника;
5. надёжная техника безопасности ввиду отсутствия коротких замыканий Ц ОК
могут быть использованы в пожаро- и взрывоопасных условиях (шахты,
метрополитены);
6. потенциально низкая стоимость ОК.
Оптические волокна (ОВ) изготавливаются из сверхчистого стекла по сложной и
дорогостоящей технологии, но в условиях массового производства их стоимость
будет невысокой. Кроме того, при производстве ОК практически не используются
такие дорогостоящие цветные металлы, как алюминий, свинец, запасы которых в
основном исчерпаны;
7. потенциально низкая стоимость одного канало-километра линии связи.
Наряду с указанными преимуществами ВОСП имеются и недостатки:
1. малая механическая прочность ОВ;
2. зависимость передаточных свойств ОК от условий прокладки и эксплуатации;
3. нежелательность совмещения в ОК оптических волокон и металлических
проводников (для дистанционного питания необслуживаемых регенерационных
пунктов);
4. сравнительно высокая стоимость.
При проектировании ВОСП важно иметь информацию о влиянии параметров
компонентов и субсистем на характеристики систем в целом.
Современным методом получения такой информации является моделирование на ЭВМ.
1 Структурная схема ВОЛП
Структурная схема ВОЛП приведена на рис. 1.
Исследуемая линия передачи моделируется четырьмя последовательно включенными
устройствами:
Электро-оптическим (ЭОП), оптико-оптическим (ООП), опто-электрическим (ОЭП) и
электро-электрическим (ЭЭП) преобразователями. Они соответственно
представляют:
1) 1. Для ЭОП приняты следующие обозначения: Uвх, Iвх, P
э вх Ц напряжение, сила тока и мощность электрического модулирующего
сигнала на входе;
На схеме источник излучения (ИИ) Ц светодиод (СД), суперлюминисцентный (СЛД)
или лазерный (ЛД) диод, управляемый усилителем накачки;
2) ООП характеризуются коэффициентом передачи мощности. Введены следующие
обозначения:
Оптическое волокно (ОВ) одноЦ (ОМ) либо многомодовое (ММ) со ступенчатым
(СОВ) или градиентным (ГОВ) профилем показателя преломления;
3) Для ОЭП приняты обозначения:
приемник излучения (ПИ) Ц фотодиод (ФД) p-i-n- либо лавинного (ЛФД) типа;
4) ЭЭП Ц сигнальный процессор характеризуется коэффициентом усиления
мощности. Краткое обозначение на схеме: (СП) - сигнальный процессор.
Ниже будут рассмотрены принципы моделирования всех этих последовательно
включенных устройств. Также будет рассмотрен способ моделирования волоконно-
оптической линии передачи с учётом энергетических параметров этих устройств.
Структурная схема ВОЛП
| | | |
| |
|
| | Рисунок 1 Ц Структурная схема ВОЛП |
|
1.1 Моделирование электро-оптического преобразователя (ЭОП).
В волоконных системах информация переносится при помощи оптических пучков
создаваемых источниками излучения (ИИ). Наиболее широко используются
полупроводниковые ИИ Ц лазерные диоды (ЛД) и светоизлучающие диоды (СД)
поскольку они имеют: 1) небольшие размеры, соответствующие малым диаметрам
волокон; 2) твердотельную структуру совместимую с современными
полупроводниковыми электронными приборами; 3) низкое энергопотребление. В
большинстве систем информация УнакладываетсяФ на пучок света путем модуляции
прямого тока (накачки), протекающего через источник излучения.
1.2 Параметры и характеристики светодиодов (СД).
Оптическая мощность, излучаемая светодиодом, прямо пропорциональна протекающему
через переход прямому току накачки. Типичная зависимость мощности излучения от
тока накачки, называемая ватт-амперной характеристикой (ВтАХ), приведена на
рис. 1.1. Линейная зависимость может быть объяснена следующим образом. Ток i
равен числу носителей заряда, инжектируемых в переход за одну секунду. Число
носителей за секунду N = i/e, где e Ц заряд электрона. Если h
* Ц часть носителей, которые прорекомбинируют и создадут фотоны, то выходная
оптическая мощность
P = hNW
g = hW
gi/e. (1.1)
Это соотношение является доказательством линейной связи между оптической
мощностью и электрическим током. Энергия запрещенной зоны в соотношение
подставляется в джоулях. Если она выражена в электронвольтах, то соотношение
упрощается
P = h
iWg. (1.2)
Значения мощности, приведенные на рис. 1.1, не являются мощностью, введенной
в волокно. Ограниченная числовая апертура волокна значительно уменьшает
величину введенной мощности. Используемые на практике светодиоды имеют токи
накачки 50.100 мA при напряжении прямого смещения 1,2.1,8 В.
Принцип осуществления цифровой модуляции показан на рис. 1.2. Диод модулируется
с помощью источника тока, который переводит СД из режима
включено, в
состояние
выключено. Аналоговая модуляция (рис. 1.3) требует, чтобы ток
постоянного смещения
I0 постоянно протекал через СД в прямом
направлении. Без тока постоянного смещения отрицательная волна колебания тока
сигнала заперла бы диод (смещала его в обратном направлении).
Общий ток через диод
(1.3)
и соответствующая выходная оптическая мощность
, (1.4)
где
Pсп Ц пиковая мощность сигнала, соответствующая пиковому
току накачки
Iсп. Будем называть эту мощность переменной
составляющей. Отметим, что форма огибающей оптической мощности в точности
соответствует форме волны изменения входного тока из-за наличия линейной
зависимости мощность-ток. Возможные отклонения ВтАХ от линейной зависимости
искажают сигнал. Если требуются низкие нелинейные искажения, то должна быть
оценена (или измерена) линейность ВтАХ используемого источника.
В предыдущих главах были
рассмотрены причины ограничения скорости передачи информации по волокнам.
Источник излучения также может ограничивать каналоемкость системы. На низких
частотах модуляции
Pсп =
а1I
сп, где
а1 = D
P/D
i Ц наклон ВтАХ на рис.
1.3. На высоких частотах большая часть быстро изменяющегося тока
протекает через емкость перехода и паразитные емкости, что уменьшает величину
переменной составляющей оптической мощности. Однако, еще большее ограничение
высокочастотной модуляции происходит вследствие
времени жизни носителей
t, которое равно среднему времени рекомбинации инжектированных носителей. Ток
модуляции должен изменяться медленно по сравнению с t. Отклик СД (ограниченный
временем жизни носителей) на электрический сигнал частоты w, равен
. (1.5)
Кривая, соответствующая выражению (1.3), приведена на рис. 1.4. На частоте w =
1/t переменная составляющая мощности оптического сигнала уменьшается в 0,707
раз. Ток, создаваемый приемником излучения, пропорционален оптической мощности.
Следовательно, когда переменная составляющая мощности оптического сигнала
уменьшается до 0,707 от максимальной, переменная составляющая
продетектированного тока сигнала уменьшится в такой же пропорции, а
электрическая мощность в приемнике (пропорциональная квадрату тока) уменьшится
в 0,707
2 = = 0,5 (т. е. на 3 дБ). По этой причине, величину 1/t
называют модуляционной шириной полосы по уровню Ц3 дБ или электрическая шириной
полосы пропускания по уровню Ц3 дБ. Ширина полосы пропускания СД
f-3дБ =1/2pt, Гц. (1.6)
Ширина полосы модуляции превышающая 300 MГц, была достигнута для
поверхностных излучателей, но наиболее доступные серийные светодиоды имеют
меньшую ширину полосы (обычно от 1 до 100 MГц).
Время нарастания источника t
н Ц это время, которое требуется для
того, чтобы выходная оптическая мощность изменилась с уровня 10 % до уровня 90
% от установившегося значения при входном сигнале в виде перепада тока. Принцип
измерения времени нарастания показано на рис. 1.4. Входной ток заставляет
оптическую мощность возрастать от нуля до установившегося значения. Выходной
оптический сигнал, показанный на рис. 1.4, соответствует форме волны сигнала,
генерируемого широкополосным детектором, используемым для измерения этой
мощности. Время нарастания и электрическая ширина полосы пропускания по уровню
Ц3 дБ связаны соотношением
f-3дБ = 0,35/
tн. (1.7)
Типичные значения времени
нарастания составляют от нескольких наносекунд до 250 нс.
Известно, что ширина спектра излучения источника непосредственно влияет на
значение волноводной и материальной дисперсии волокна. Уширение импульса
вследствие этих причин линейно зависит от ширины спектра источника. Светодиоды,
работающие в области 0,8.0,9 мкм имеют ширину спектра 20.50 нм, а светодиоды
длинноволновой области Ц 50.100 нм. Влияние увеличенной ширины спектра
длинноволнового излучателя компенсируется существенно меньшим в этой области
значением материальной дисперсией
М.
1.3 Параметры и характеристики ЛД
Ватт-амперная характеристика типичного лазерного диода приведена на рис. 1.8.
Пороговый ток для этого диода равен 75 мA. При меньших токах наблюдается
медленный рост оптической мощности при увеличении тока накачки. Выходное
излучение не когерентно, поскольку вызвано спонтанной эмиссией в области
рекомбинации (светодиодная область работы ЛД). Измерение ширины спектра
показало бы значительное уменьшение ширины линии при превышении током накачки
порогового значения. Значения порогового тока лежат в интервале 30.250 мA для
большинства диодов. Напряжение прямого смещения составляет 1,2.2 В при
пороговом токе. Прямой ток быстро повышается с увеличением напряжения на диоде,
как показано на рис. 1.7. Видно, что при напряжении выше порогового, небольшое
увеличение напряжения смещения переводит ток накачки в рабочую область.
Выходные мощности лазеров непрерывного режима (continuous wave Ц CW
*) лежат в области 1.10 мВт. Импульсные лазеры, работающие с малой
скважностью, могут генерировать большие пиковые мощности (без опаски выхода из
строя), но CWЦлазеры, которые способны переключаться из режима включено, в
режим
выключено с высокой скоростью, более полезны для связи. Значение
рабочего тока накачки составляет приблизительно 20.40 мA сверх порогового.
Работа при токах, превышающих указанные изготовителем, уменьшает срок службы
(ресурс работы) диода.
Принцип осуществления цифровой модуляции лазерного диода, показанный на рис.
1.8, отличается из цифровой модуляции светодиода. На ЛД подается ток
постоянного смещения
I0, равный пороговому току (режим
передачи двоичного
нуля). Он увеличивается до значения
I0
+
iс при передаче двоичной
единицы путем подачи
импульса положительной полярности с пиковым значением
iс
(см. рис. 1.8). Когда приложенное прямое смещение близко к пороговому значению,
диод включается более быстро и ток сигнала может быть меньшим, чем в случае
отсутствия смещения.
При аналоговой модуляции (рис. 1.9) постоянное смещение должно превышать
порог, так, чтобы работа происходила в линейной области ВтАХ. При передаче
аналогового сигнала с низкими гармоническими искажениями линейность ВтАХ
лазерного диода должна тщательно контролироваться.
Лазерные диоды обычно имеют ширину спектральной линии 1.5 нм, что значительно
меньше, чем ширина спектра излучения светодиодов. Ширина спектра ЛД больше,
чем у газовых лазеров, потому что излучательные переходы в полупроводнике
происходят между энергетическими зонами, а переходы в газовых лазерах Ц между
энергетическими линиями. Это явление приводит к ширине спектра намного
большей, нежели обусловленной эффектом Доплера в газах. Спектр лазерного
диода, работающего на l = 1,3 мкм, приведен на рис. 1.11 Многочисленные пики
соответствуют продольным модам лазера.
Когда ток накачки только немного превышает порог, лазерный диод имеет
многомодовый спектр, аналогичный приведенному на рис. 1.10. При увеличении
тока происходит уменьшение ширины спектра и числа продольных мод. При
достаточно большом токе спектр будет содержать только одну моду. На рис. 1.12
показан спектр лазера генерирующего одну продольную моду. Как и ожидалось,
ширина линии намного меньше (равна примерно 0,2 нм), чем у многомодового
лазера. Диод с одной продольной модой минимизировал бы материальную дисперсию
в волокне вследствие узкой спектральной линии.
1.4 Математическая модель электро-оптического преобразователя (ЭОП)
Для ЭОП на рис. 1.13 приняты обозначения:
Uвх,
I
вх,
Pэ вх Ц напряжение, сила тока и мощность
электрического (модулирующего) сигнала на входе ЭОП;
Рисунок 1.13 Ц Функциональная схема ЭОП.
Rр(Вт/А) = D
Ро вх(Вт)/D
Iвх(А), r
р(дБ) = 20lg[
Rр(Вт/А)/1 Вт/А] (1.8)
Ц дифференциальный ваттовый отклик
* ЭОП с
учетом эффективности ввода мощности света в оптическое волокно, где D
Р
о вх Ц приращение оптической мощности на выходном оптическом полюсе ЭОП,
вызванное приращением электрического тока D
Iвх на его входном
электрическом полюсе. Индексы лэ и ло указывают на принадлежность параметра к
электрической и оптической областям спектра соответственно. Наряду с
абсолютными единицами измерения (А, В, Вт, Ом) удобно использовать
относительные логарифмические (дБм, дБ). Первые будем обозначать прописными, а
вторые Ц строчными буквами. Например, в выражении
pэ вх, вых(дБм)= 10lg[
Рэ вх, вых (Вт)/10
Ц3] Ц
Рэ вх, вых и
pэ вх, вых Ц
соответственно мощности и уровни мощностей электрических сигналов на входе
(выходе). Для ЭОП с учетом соотношений (1)
Рэ вх (Вт) =
Rи(Ом),
Ро вых (Вт) =
вх(А)
Rр(Вт/А),
и pо вых (дБм) = [
pэ вх (дБм) + r
р (дБ) Ц
rи(дБ) + 30 дБ]/2,
(1.9)
pэ вх (дБм) = 2
pо вых (дБм) Ц r
р
(дБ) +
rи(дБ) Ц 30 дБ, (1.10)
где
rи(дБ) = 10lg[
Rи (Ом)/1 Ом)].
В табл. 1.1 приведены расчетные выражения для трех следующих значений
R
и: 50 Ом и 75 Ом (цифровые и аналоговые ВОСП соответственно) и 1000 Ом,
при котором формулы (1.9) и (1.10) упрощаются.
Таблица 1.1 Ц Соотношения для расчета параметров ЭОП
Источник Rи, Ом | Оптический полюс pо вых (дБм) = | Электрический полюс pэ вх (дБм) = |
| 50 | [pэ вх (дБм) + rр(дБ)]/2 +6,05 дБ | 2pо вых (дБм) Ц rр(дБ) Ц 13,01 дБ |
| 75 | [pэ вх (дБм) + rр(дБ)]/2 +5,625 дБ | 2pо вых (дБм) Ц rр(дБ) Ц 11,25 дБ |
| 1000 | [pэ вх (дБм) + rр(дБ)]/2 | 2pо вых (дБм) Ц rр(дБ) |
Значение Rр не всегда указывают изготовители ИИ. Оно
может быть рассчитано по паспортным или экспериментальным данным согласно
формуле (1.1), если известна или измерена мощность излучения, введенная в одно-
(ОМ) или многомодовое (ММ) оптическое волокно (ОВ). В табл. 1.2 приведены
значения Rр и rр для основных типов ИИ и ОВ на
длине волны 1300 нм. Здесь использованы следующие аббревиатуры для обозначения
типа лазерного резонатора: ФП Ц Фабри-Перо, РОС Ц с распределенной обратной
связью, РБО Ц с распределенным Брэгговским отражением, ВР Ц с вертикальным
резонатором.
Таблица 1.2 Ц Значения коэффициентов Э/О преобразования полупроводниковых ИИ
| Тип ИИ | Светодиод + ММ/ОМ волокно | Лазерный диод + ОМ волокно |
| поверхностный | торцевой | Ф-П | РОС | РБО | ВР |
Rр, Вт/А | 0,00025/0,000013 | 0,0004/0,00013 | 0,1.0,2 | 0,07 | 0,1 | 0,5 |
rр, дБ | Ц72/Ц97,5 | Ц68/Ц77,5 | Ц20.Ц14 | Ц23 | Ц20 | Ц6 |
Для ЭОП формально может быть введен коэффициент передачи мощности (с
преобнразованием спектра)
Кр эоп =
Р
о вых(Вт)/
Рэ вх(Вт) =
Rр(Вт/А)/
U
вх(В). Очевидно, что между
Кр эоп и
U
вх имеется обратно пропорциональная зависимость. Коэффициент передачи
мощности в относительных единицах
kр эоп(дБ) = [r
р(дБ) Ц
u
вх(дБ)]/2, где
uвх(дБ) = 20lg[
Uвх
(В)/1 В]. (1.11)
Выводы
При эскизном проектировании могут быть использованы усредненные параметры
полупроводниковых источников, приведенные в табл. 1.3. На этом этапе имеется
достаточно информации, чтобы выбрать длину волны несущей, тип волокна и
источник света. Светодиоды могут использоваться совместно с многомодовым СОВ
или ГОВ, но в различных областях оптического спектра. В ступенчатых волокнах
преобладают модовые искажения.
Таблица 1.3 Параметры полупроводниковых источников излучения
| Параметр | Светодиод | Лазерный диод | Одномо-довый ЛД |
| Ширина спектра, нм | 20.100 | 1.5 | <0,2 |
| Время нарастания, нс | 2.250 | 0,1.1 | 0,05.1 |
| Полоса модуляции, МГц | <300 | 2000 | 6000 |
Эффективность ввода1) | Весьма низкая | Средняя | Высокая |
| Подходящее ОВ | Многомодовое СОВ2) или ГОВ3) | Многомодовое ГОВ, одномодовое | Одномодо-вое |
| Чувствительность к температуре | Низкая | Высокая | Высокая |
| Сложность схемы | Низкая | Высокая | Высокая |
| Ресурс работы, час | 105 | 104.105 | 104.105 |
| Стоимость | Низкая | Высокая | Очень высокая |
| Скорость | Средняя скорость | Большая скорость | Очень большая |
| Дальность | Средняя | Большая | Очень большая |
Примечания: 1) Эффективность ввода может быть улучшена при использовании линзы; 2) Для систем в первом окне прозрачности; 3) Для систем во втором окне прозрачности. |
Материальная дисперсия, обусловленная широким спектром светодиода в таких
волокнах, не велика, и ею можно пренебречь. Уменьшение материальной
дисперсии, достигаемое выбором лазерного диода, бессмысленно.
По этим причинам, светодиоды обычно выбираются для многомодовых линий связи
со ступенчатыми ОВ. Системы, использующие многомодовые ступенчатые волокна и
светодиодные источники возможно, по-прежнему будут использоваться в первом
окне (0,8.0,9 мкм), где стоимость компонентов не велика. Светодиоды,
излучающие в первом окне, не оптимальны для линий связи с градиентными
волокнами, потому что материальная дисперсия вызывает значительно большее
уширение импульса, чем модовые искажения. Преимущество градиентного волокна
обычно исчезает при такой комбинации компонентов. Однако, во втором окне
прозрачности ( 1,3 мкм) материальная дисперсия становится
минимальной, даже со светодиодным источником излучения. Градиентное волокно и
светодиод, работающий в длинноволновой области, могут использоваться для
создания системы, передающей информацию с умеренно высокой скоростью на
довольно большое расстояние.
Из-за более высоких начальных затрат и увеличенной сложности схемы лазерные
диоды используются только тогда, когда это необходимо. Для систем дальней
связи с большой емкостью они эффективны при использовании с многомодовыми
градиентными или одномодовыми волокнами. Эти системы работают в первом или
втором окне прозрачности. Во втором окне затухание в волокне ниже, что
позволяет создавать более длинные тракты передачи.
Самые большие значения произведения длины на скорость передачи могут быть
достигнуты, когда одномодовый лазерный диод, согласованный с одномодовым
волоконным световодом, работает в одном из длинноволновых окон, где затухание
волокон невелико.
2 Моделирование оптико-оптического преобразователя(ООП).
Выбор и надлежащее использование ООП требует понимания конструкций волокон и
их параметров. В этой главе рассматриваются основные типы волокон и условия
распространения волн по ним. Особое внимание обращено на затухание света и
дисперсии.
2.1 Затухание света в ОВ
Затухание сигнала в линейном тракте является важным фактором при разработке
любой системы связи. Все приемные устройства требуют, чтобы поступающая на их
вход мощность, была выше некоторого минимального уровня, так что потери среды
распространения ограничивают общую длину линии передачи. Имеются определенные
точки в оптической системе, где вносятся потери. Они возникают при вводе
света в волокно, непосредственно в самом волокне и в соединениях (неразъемных
и разъемных).
Рассмотрим причины потерь в самом волокне в интервале длин волн 0,5.1,6
мкм. В этом участке спектра работает большинство волоконно-оптических систем.
Для этой области длин волн существуют волокна с малыми потерями, эффективные
источники излучения и детекторы. Для других длин волн этого нет.
Стекло
Большинство интересующих нас стекол состоит из молекул расплавленного стекла
(двуокись кремния Ц SiO
2). Стекло является неоднородным по составу Ц
это смесь молекул SiO
2, которые имеют изменения в пространственной
ориентации молекул в различных точках материала. Это принципиально отлично от
структуры кристаллов, в которых составляющие их атомы занимают фиксированные
положения в пространстве, и эта структура периодически повторяется. Чтобы
изменить значение показателя преломления, в стекло добавляют другие материалы.
Обычно легирование выполняют титаном, таллием, германием, бором и другими
химическими элементами. Основой является стекло с высоким содержанием двуокиси
кремния, из которого может быть сформировано волокно с малыми потерями, если
достигнута высокая химическая чистота.
Потери в стеклянных волокнах возникают вследствие поглощения, рассеяния и
геометрических дефектов.
Поглощение
Даже самое чистое стекло поглощает свет внутри определенных областей спектра.
Это собственное поглощение является естественным свойством стекол. Очень
сильное собственное поглощение происходит в ультрафиолетовой части (на
коротких длинах волны). Поглощение возникает вследствие сильных электронных и
молекулярных переходов. Пик потерь наблюдается в ультрафиолетовой области.
Эти потери уменьшаются с приближением к видимой области спектра.
Ультрафиолетовое поглощение отстоит далеко от области, где эксплуатируются
волоконные системы, так что их вклад незначителен. Конец хвоста
ультрафиолетового поглощения может простираться в видимую область, но как уже
было отмечено, вносит небольшой вклад в суммарное затухание в этой области
спектра. Ультрафиолетовое поглощение показано на рис. 2.1.
Пики собственного поглощения также имеются в инфракрасной области спектра.
Для типичных составов стекол пики поглощения, расположенные между 7 мкм и 12
мкм, далеки от области, в которой работают волоконные системы. Инфракрасные
потери связаны с колебаниями химических связей типа соединений кремния с
кислородом. Тепловое возбуждение заставляет атомы постоянно перемещаться так,
что химические связи SiO непрерывно расширяются и сжимаются. Эти колебания
имеют резонансную частоту в инфракрасной области спектра. Как показано на
рис. 2.1, коротковолновая граница этого механизма поглощения простирается
вниз по спектру, приближаясь к области, где функционируют волоконные системы.
Инфракрасное поглощение вносит малые потери в верхней части участка спектра
(вблизи 1,6 мкм), используемого для волоконной связи. Фактически эти потери
исключают использование стеклянных волокон на более длинных волнах.
Можно заключить, что собственные потери обычно невелики в широкой
спектральной области, где работают волоконные системы, но эти потери делают
невозможным использование волоконных систем, как в ультрафиолетовом, так и
более длинноволновом инфракрасном участке спектра.
2.2 Дисперсия сигналов в ОВ
В волоконных линиях связи имеются ограничения на дальность передачи по
ослаблению (затуханию) и по допустимым искажениям формы импульсов. В
некоторых случаях сигнал, достигающий приемного устройства, слишком слаб для
качественного приема, хотя форма принятого сигнала удовлетворительна. Когда
затухание в волокне является основной проблемой, то говорят, что система
ограничена по мощности. Позже будут проанализированы дополнительные потери,
возникающие при вводе излучения в волокно, а также в разъемных и неразъемных
соединениях. Для некоторых трактов мощность сигнала на приеме достаточна, но
искажения формы сигнала препятствуют безошибочному восстановлению
передаваемого сообщения. Говорят, что такие системы ограничены шириной полосы
пропускания.
Искажение сигналов в СОВ
В ступенчатом ОВ сигналы искажаются вследствие материальной и волноводной
дисперсии и многомодового уширения импульсов. Величина уширения импульса из-за
многомодовости в диэлектрическом полосковом волноводе равна
. В терминах относительного изменения показателя преломления D и числовой
апертуры
NA это уширение может быть представлено в виде
, (2.1)
где
n1 и
n2 близкие по величине. Используя
типичные значения для кварцевых волокон
n1 = 1,48 и
n
2 = 1,46, находим, что D(t/
L)= 67 нс/км. Это довольно большое
значение. Экспериментально полученные значения уширения импульсов для
большинства СОВ из кварца дают несколько меньшие значения Ц 10.50 нс/км.
Расхождение возникает вследствие нескольких причин: перемешивания мод и
преимущественного затухания высших мод.
Перемешивание мод обусловлено обменом мощности между модами в процессе их
распространения. Луч некоторой моды может отклоняться (на изгибах и в
соединителях) и попадать на траекторию другой моды. На неоднородностях лучи
могут преобразовываться из мод низшего порядка в моды высшего порядка и
наоборот. В результате такого непрерывного перемешивания мод энергия,
переносимая любой из мод, распространяется по зигзагообразной траектории,
которая находится между самой короткой (осевая мода) и самой длинной
траекторией (критическая мода). Все лучи проходят примерно одинаковое
расстояние, что существенно уменьшает многомодовое уширение импульса.
Премешивание мод не является преобладающим фактором, так что модовые
искажения остаются главной причиной уширения импульсов в СОВ. Хотя
перемешивание мод и уменьшает значение уширения импульса, оно является
нежелательным явлением. Отклонения могут направлять некоторые лучи по
траекториям, что углом, меньшим критического угла. Энергия этих лучей будет
потеряна, что приводит росту затухания в волокне.
Вторая причина снижения значения уширения импульсов Ц повышенное затухание
мод высших порядков. Эти моды распространяются по волокну в течение большего
промежутка времени, чем моды низших порядков, вследствие их зигзагообразных
траекторий, и более глубокого проникновения в оболочку. Следовательно, они
испытывают большее затухание. Имея меньшие амплитуды, они дают меньший вклад
в мощность выходного импульса, чем моды нижних порядков. Взяв производную от
выражения (2.1) видим, что все моды переносят одинаковую мощность. Если
модами высшего порядка пренебречь вследствие их уменьшенного вклада, то
уширение импульса будет меньшее, чем значение, предсказанное уравнением
(2.1). Избирательное поглощение, вызывая снижение уширения импульса,
увеличивает результирующее затухание сигнала аналогично тому, как это
происходит при перемешивании мод.
На короткой линии связи (несколько десятков или сотен метров) источник света
может возбуждать только отдельные моды низкого порядка. Это происходит при
возбуждении волокна лазерным диодом, чья диаграмма направленности излучения
не может возбудить (наполнить) все моды волокна. Это также наблюдается и в
случае использования светоизлучающего диода. В длинном волокне все моды были
бы, в конечном счете, возбуждены из-за дефектов тракта. В коротком волокне
этого не происходит. Таким образом, модовое уширение обусловлено только
некоторыми модами, чьи углы распространения (и, следовательно, скорости) не
слишком отличны друг от друга. Можем (консервативно) использовать
теоретические результаты как верхние пределы для значения модового уширения
импульсов.
Следует подчеркнуть, что модовые искажения не зависят от длины волны или
ширины спектра источника излучения. В этом их отличие от материальной и
волноводной дисперсии, которые зависят и от длины волны и ширины спектра
источника излучения.
Общее (результирующее) уширение импульса Dt вследствие модовых искажений и
двух составляющих дисперсии
, (2.2)
где (Dt)
мод Ц многомодовое уширение импульса и (Dt)
дис Ц
уширение импульса вследствие дисперсии. Это уравнение является наиболее общим
выражением совместного учета и модового и дисперсионного уширения импульсов.
Модовые искажения и дисперсия не складываются алгебраически, поскольку они
вызваны независимыми причинами. Обычно, дисперсия вносит только малую долю в
общее уширение многомодовых СОВ.
. Волноводное уширение в волокне
, (2.3)
где
Мg Ц волноводная дисперсия и Dl Ц ширина спектра
источника. Типичные значения
Мg приведены на рис. 2.2. Таким
образом,
. Видно
что в интервале длин волны 800.900 нм волноводная дисперсия имеет намного
меньшую величину, чем материальная дисперсия. Например, на волне 0,82 мкм
материальная дисперсия равна 110 пс/(нм×км), а волноводная дисперсия Ц
приблизительно 2 пс/(нм×км). Уширением из-за волноводной дисперсии можно
без опаски пренебречь для всех систем, кроме работающих в области 1200.1600 нм.
Уширение импульса вследствие материальной и волноводной дисперсии
пропорционально ширине спектра источника излучения. Лазерный диод с узкой
линией генерации минимизирует это уширение. Однако модовое искажение обычно
доминирует в многомодовом волокне со ступенчатым показателем преломления, что
делает лазерный диод в значительной степени малоэффективным для снижения
уширения импульсов. По этой причине для систем, использующих многомодовые
СОВ, обычно выбираются менее дорогие источники типа светоизлучающего диода.
Искажение в одномодовых волоконных световодах
Одномодовые волоконные световоды имеют только волноводную и материальную
дисперсию. Как следует, большее влияние на уширение импульсов оказывает
материальная дисперсия. Это особенно справедливо для области 0,8.0.9 мкм.
Уширение импульса на единицу расстояния (
MDl) приведено на рис. 2.3 для
одномодового волоконного световода. Отметим, что уширение импульса становится
меньшим для более длинных волн и источников излучения с узкой шириной линии.
Этот рисунок показывает преимущества лазерных диодов. Произведение длины на
ширину полосы пропускания по уровню Ц3 дБ, указано на правой вертикальной оси
рисунка 2.3.
Волноводная дисперсия должна учитываться, если рабочая длина волны близка к
1,3 мкм. При длине волны, на которой материальная дисперсия исчезает,
волноводная дисперсия значительна. При 1,3 мкм материальная дисперсия
становится отрицательной, в то время как волноводная дисперсия остается
положительной.
Компенсация двух видов дисперсии дает нулевое уширение импульса на длине
волны, близкой к 1,3 мкм. В этой точке, материальная дисперсия заставляет
волны с более короткой длиной перемещаться быстрее, в то время как
волноводная дисперсия заставляет волны той же самой длины замедляться. В
области, где дисперсия очень низкая, затухание волокна также мало. Системы
дальней связи с высокой скоростью передачи информации могут быть созданы при
использовании одномодовых волоконных световодов, работающих в интервале длин
волн 1,3.1,6 мкм.
Ранее в этой главе было отмечено, что волокна имеют самое низкое затухание в
области 1550 нм. Желательно, чтобы на этой длине волны волокно также обладало и
самой малой дисперсией. Только что описанное суммирование волноводной и
материальной дисперсии указывает, как это можно сделать. Необходимо
модифицировать волновод так, чтобы его волноводная дисперсия точно
компенсировалась материальной на необходимой длине волны. Это было выполнено
путем создания одномодового волокна с треугольной формой изменения показателя
преломления (а не со ступенчатым или градиентным изменением). Зависимость
дисперсии от длины волны для волокна, созданного таким образом и названного
волокном со смещенной дисперсией, показана на рис. 2.4. На рисунке также
приведена спектральная зависимость дисперсии для волокна со сглаженной
(уплощенной) дисперсией
, в котором также использована частичная
компенсация волноводной и материальной составляющих дисперсии путем
соответствующего видоизменения профиля показателя преломления волокна. Одним из
профилей показателя преломления, производящего сглаживание дисперсии, является
волокно с депрессированной оболочкой
. Это волокно, в котором сердцевина
окружена тонкой промежуточной оболочкой, имеющей показатель преломления
меньший, чем внешняя оболочка, которая имеет немного больший показатель
преломления. Волокно со сглаженной дисперсией может использоваться в широком
диапазоне длин волны в области 1330.1600 нм имея равномерное небольшое значение
дисперсии.
Желательно разработать одномодовый волоконный световод, имеющий значение
n
1 близкое к
n2, но с большим диаметром сердцевины. Это
упростило бы изготовление волокна и увеличило бы допуски, регламентируемые при
сварных и разъемных соединениях.
Искажения в градиентном волокне
ГОВ производят намного меньшие многомодовые искажения, чем СОВ. Можно объяснять
это, рассматривая траектории и скорости лучей в ГОВ. Осевые лучи перемещают по
самому короткому пути. Лучи, которые пересекают волоконную ось под большими
углами проходят более длинный путь, но они ускоряются при распространении через
области, далекие от оси, где показатель преломления более низкий (вспомним, что
v =
c/
n). В течение времени, затраченного на распространение
вдали от оси, внеосевые лучи догоняют осевые. Этот процесс минимизирует
многомодовое уширение импульсов. Стандартные многомодовые ГОВ имеют уширение
импульсов всего несколько наносекунд на километр или менее. Это намного меньше,
чем уширение импульсов в СОВ.
Приближенное выражение для модового уширения импульсов в ГОВ равно
. (2.4)
Как и в случае с СОВ, материальная дисперсия доминирует над волноводной
дисперсией в коротковолновой области. Как следует из рисунка 2.2.2,
показывающего уширение импульса за счет материальной дисперсии, уширение
составляет около наносекунды на километр (или менее) в спектральной области
0,8.0,9 мкм при использовании светодиодного источника. Такой источник губит
многие из преимуществ ГОВ, в частности низкие модовые искажения в
коротковолновой области спектра. Лазерные диоды с узким спектром излучения
более совместимы с многомодовыми волокнами. На длинах волн, близких к
1,3 мкм, дисперсия мала, что делает целесообразным использование светодиода
совместно с ГОВ.
2.3 Математическая модель опто-оптического преобразователя (ООП)
ООП будем характеризовать коэффициентом передачи мощности (см. рис. 2.5)
Рисунок 2.5 Ц Функциональная схема ООП.
Ко =
Ро вых(Вт)/
Ро вх(Вт) ,
kо(дБ) =
ро вых(дБм) Ц
ро вх(дБм),
где
Ро вх и
Ро вых Ц средние значения
мощности оптического излучения на входе и выходе соответственно. Для активного
ООП, например, оптического усилителя
Ко > 1 (
k
о > 0 дБ), в то время как для пассивного (оптическое волокно,
соединитель, аттенюатор, вентиль и др.)
Ко < 1 (
k
о < 0 дБ).
В табл. 2.1 приведены значения коэффициента затухания a кварцевого ОВ (основной
тип ООП) на различных длинах волн . Например, для ОВ длиной
l(км)
находим
kо(дБ) = a(дБ/км)
l(км).
Таблица 2.1 Ц Коэффициент затухания (дБ/км) кварцевых ОВ
| Тип ОВ | Длина волны оптического излучения, нм |
| 850 | 1300 | 1380 (пик ОН) | 1550 |
| ОМ 50/125 | 1,80 | 0,35 | 0,55 | 0,20 |
| ММ 8,2/125 | 2,80 | 0,80 | 1,00 | 0,60 |
Выводы
Оптические волокна характеризуются затуханием, уширением импульса и числовой
апертурой. В системе ограниченной мощностью значение затухания в волокне более
критично, чем значение уширения импульсов. От величины
NA зависят
потери при вводе мощности от источника излучения в волокно (КПД ввода), так что
этот параметр важен в системе, ограниченной мощностью. Для длинных
высокоскоростных линий уширение импульса может представлять главный интерес, а
потери Ц иметь второстепенное значение.
Отметим и кратко прокомментируем подходы, которые существуют для выбора
подходящего волокна.
1. Многомодовые ступенчатые и градиентные волокна. Градиентные ОВ могут
работать на более высокой скорости передачи информации, чем ступенчатые ОВ.
Ввод света от источника излучения с СОВ обычно более эффективен, в то время
как значения коэффициента затухания для этих типов волокон сравнимы.
Градиентные ОВ разработаны для меньшего искажения импульсов. Это делает их
подходящими для высокоскоростной передачи на большое расстояние.
2. Многомодовое и одномодовое распространение. Некоторые системы обеспечивают
хорошие показатели с многомодовыми волокнами. Последние имеют больший диаметр
и с ними проще работать, чем с одномодовыми волоконами. Преимущество
одномодовых волоконных световодов в их большой информационной емкости,
обусловленной отсутствием модового уширения импульса. Эти волокна следует
использовать в длинных, с большой информационной емкостью, линиях.
3. Материалы. Выбор делают среди полностью стеклянных, стеклянных с
пластмассовой оболочкой и полностью пластмассовых волокон. Стекло имеет самое
низкое затухание. Его выбирают для длинных линий. Хотя волокна типа
кварц/полимер имеют более высокие потери, их большая числовая апертура
обеспечивают высокую эффективность соединения с источником. Волокна типа
кварц/полимер используются для умеренно длинных линий. Пластмассовые волокна
вносят большое затухание. Однако присущие им большие диаметры сердцевины и
высокие числовые апертуры делают их удобными и эффективными для коротких
линий. рассмотренных в этой главе.
4. Рабочая длина волны. Работа в области коротких длин волн (800.900 нм)
оказалась вполне практичной. Потери и уширение импульса здесь достаточно
низкие, чтобы создать высокоскоростные системы связи умеренной дальности.
Источники и детекторы в этом диапазоне имеют невысокую стоимость. В более
длинноволновой части спектра (1300.1600 нм) и затухание и дисперсия не
велики. Работа в этой области притягательна для очень высокоскоростных линий
дальней связи.
В табл. 2.2 представлены числовые данные наиболее важных параметров различных
классов волокон, литературе могут быть найдены данные несколько отличные от
табличных.
Таблица 2.2 Ц Параметры оптических волокон
| Тип ОВ | 2а, мкм | NA | a, дБ/км | t, нс/км | f-3дБ х L, МГц х км | Тип ИИ | l, нм |
Многомодовые |
| Кварц/кварц |
| СОВ | 50 | 0,24 | 5 | 15 | 33 | СД | 850 |
| ГОВ | 50 | 0,24 | 5 | 1 | 500 | ЛД | 850 |
| ГОВ | 50 | 0,2о | 1 | 0,5 | 1000 | СД, ЛД | 1300 |
| Кварц/полимер |
| СОВ | 200 | 0,41 | 8 | 50 | 10 | СД | 800 |
| Полимер/полимер |
| СОВ | 1000 | 0,48 | 200 | - | - | СД | 580 |
Одномодовые |
| СОВ | 5 | 0,10 | 4 | < 0,5 | > 1000 | ЛД | 850 |
| 10 | 0,10 | 0,5 | 0,006 | 83000 | ЛД | 1310 |
| 10 | 0,10 | 0,2 | 0,006 | 83000 | ЛД | 1550 |
| | | | | | | |
При составлении таблицы, использовалось уравнение для связи ширины полосы
пропускания по уровню Ц3 дБ с уширением импульса. В параметры внесена и
рабочая длина волны, поскольку значения затухания и искажений меняются с ее
изменением. В таблице также указан тип источника. Светодиод больше подходит
для многомодовых СОВ в которых доминируют модовые искажения. Лазерный диод с
узким спектром значительно не уменьшил бы суммарное уширение импульса в этом
случае. Когда доминирует материальная дисперсия, как в ГОВ или одномодовом
волоконном световоде, уширение импульса минимизируется при использовании
лазерного источника. В длинноволновой области материальная дисперсия
становится малой, так что в некоторых случаях светодиоды становятся
подходящими.
3 Моделирование ОЭП
Свет может быть обнаружен глазом. Однако глаз не подходит для современной
волоконной связи, из-за низкой чувствительности, медленного отклика и
невозможности соединения с электронными устройствами для усиления,
декодирования или другой обработки сигнала. Кроме того, спектральная
чувствительность глаза ограничена длинами волны 0,4.0,7 мкм, где волокна
имеют высокие потери. Тем не менее, глаз очень полезен при визуальной
проверке волокон с помощью видимого света. Такие дефекты, как трещины и места
обрывов волокон, могут быть обнаружены по рассеянному свету. Перед тем как
ответвители и соединители присоединить к инфракрасному излучателю,
целесообразно их проверить (УпрозвонитьФ) с помощью источника видимого света.
В этой главе рассматриваются устройства, которые преобразовывают оптическое
излучение в электрический сигнал (ток, напряжение) и быстро откликаются
(реагируют) на изменения уровня оптической мощности.
3.1 Параметры и характеристики p-i-n фотодиода
Фотодиоды
pЦiЦn-типа являются наиболее широко используемыми детекторами
в волоконных системах. Такой диод имеет широкую
i-область из
собственного полупроводника между
p- и
n-областями, как
показано на рисунке 3.1. Слой собственной проводимости не имеет свободных
носителей заряда, так что его сопротивление велико. Поэтому большая часть
напряжения смещения диода приложена к этой области и электрическое поле в ней
имеет большую напряженность. Поскольку слой собственной проводимости весьма
широк, то имеется высокая вероятность, что приходящие фотоны будут поглощены
именно в нем, а не в тонких
pЦ или
nЦобластях. Это увеличивает
квантовую эффективность и скорость отклика по сравнению с
pЦn
-фотодиодом.
Граничная длина волны
Чтобы создавать пару носителей электрон-дырка, приходящий фотон должен иметь
энергию достаточную, чтобы электрон преодолел запрещенную зону полупроводника.
Это требует выполнения условия
hn ³
Wз, что
дает значение граничной частоты
l = 1,24/
Wз, (3.1)
где l подставляется в мкм, а
Wз Ц энергия, необходимая для
преодоления запрещенной зоны, эВ. Это выражение аналогично соотношению для
вакуумного фотодиода.
Материалы
Кремний является наиболее широко используемым материалом для волоконно-
оптических детекторов, работающих в первом окне прозрачности, но он не может
использоваться во втором окне (длина волны около 1,3 мкм). Диоды из германия
и InGaAs вносят большее количество шума, чем кремний, но они чувствительны во
втором окне прозрачности. В табл. 3.1 приведены данные относительно области
спектральной чувствительности, длины волны максимального отклика и значения
максимального токового отклика pЦiЦn-диодов из наиболее распространенных
полупроводниковых материалов. Спектральные характеристики фотодиодов из
кремния (а) и InGaAs (б) показаны на рис. 3.2. Снижение чувствительности на
более коротких длинах волн вызвано увеличением поглощения фотонов в p- и n-
областях.
Таблица 3.1 Параметры pЦiЦn-фотодиодов
| Материал | Область спектраль-ной чувствительности, мкм | Длина волны максимального отклика, мкм | Максимальный токовый отклик, А/Вт |
| Кремний (Si) | 0,3.1,1 | 0,8 | 0,5 |
| Германий (Ge) | 0,5.1,8 | 1,55 | 0,7 |
| InGaAs | 1,0.1,7 | 1,7 | 1,1 |
Для фотодиода из InGaAs на l = 1,7 мкм при квантовой эффективности в 80 %
получаем токовый отклик 1,1 A/Вт. Согласно кривой спектральной чувствительности
на рисунке 7.6,
б токовый отклик составляет приблизительно 70 % от этой
величины, или 0,77 A/Вт на l = 1,3 мкм. Максимальный отклик германия имеет
место вблизи 1,55 мкм, где квантовая эффективность составляет приблизительно
55 %.
Вольт-амперная характеристика
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) кремниевого диода, имеющего токовый
отклик 0,5 A/Вт, приведены на рис. 3.3. Если на диод подано напряжение
обратного смещения, то говорят, что он работает в фотодиодном
(фотовентильном) режиме. В этом случае выходной ток пропорционален оптической
мощности. Когда обратное смещение отсутствует, то, как показано на рисунке,
принимаемая оптическая мощность приводит к возникновению на выводах диода
прямого напряжения смещения. Это фотогальванический режим, являющийся
основным для солнечных элементов, которые вырабатывают электрическое
напряжение при облучении светом. Детекторы в системах волоконной связи
работают в фотодиодном режиме.
Даже при отсутствии оптической мощности через обратносмещенный диод течет малый
обратный ток. Его называют темновым током. Он обозначен символом I
т
на рис. 3.3. Темновой ток вызван тепловой генерацией свободных носителей заряда
в диоде. Он течет во всех диодах, где традиционно называется обратным током
утечки. Максимальное его значение, наблюдаемое при больших отрицательных
напряжениях, является обратным током насыщения. Темновой ток, имеющий тепловую
природу, быстро увеличивается с температурой, практически удваивая свое
значение на каждые 10
