Материал: Элементы оптических систем связи

Элементы оптических систем связи

Контрольная работа

Элементы оптических систем связи

Содержание

Введение

. Структура и основные компоненты ВОЛС

2. Передающие оптоэлектронные модули

. Лазерные диоды

. Модуляторы и физические принципы работы

. Электрооптические модуляторы

. Основные элементы ПОМ

7. Приемные оптоэлектронные устройства

. Технические характеристики фотоприемников

. Электронные элементы ПРОМ

. Оптический гетеродинный прием

. Усилители фотоприемных устройств

Литература

Введение

Фундаментальным отличием оптических систем связи и, в частности, волоконно-оптических систем связи (ВОСС), от систем радиотехнической связи, является использование световых волны несущих информацию, которые по своим физическим свойствам и характеру распространения существенно отличаются от традиционных систем электросвязи.

Главным технологическим отличием является использование вместо медных проводов и кабелей - оптического волокна и оптического кабеля на их основе. Последнее позволяет уже сегодня обеспечить суммарную скорость передачи информации по одному оптическому волокну до нескольких десятков Тбит/с.

В радиодиапазоне для повышения скорости передачи информации используются самые короткие длины волн, что в оптическом диапазоне не является ограничением. Основным фактором, ограничивающим скорость в ВОЛС (передача информации по одному каналу величиной порядка 40 Гбит/с достигнута), является конечное быстродействие электроники, входящей в состав оптических передатчиков и приемников.

Для увеличения передаваемого потока информации применяют методы уплотнения либо с временным разделением (OTDM), либо со спектральным разделением (WDM) информационных каналов. Определяющим факторами при выборе длины волны являются величина затухания и наличие эффективных источников излучения. Поскольку при повышении частоты (в четвертой степени) увеличиваются потери, в ВОЛС обычно применяются инфракрасные световые волны, а в качестве материала волокна используется кварцевое стекло, причем ВОСС работают в трех спектральных диапазонах с центральными длинами волн 850 нм, 1300 нм и 1550 нм - окнах прозрачности волокна (рис.1 спектральная зависимость коэффициента затухания одномодового волокна, где пунктир - волокно без водородного пика затухания).

Рис. 1

Оптическое излучение видимого диапазона (l = 600 нм) применяется для коротких трасс и в используется более дешевое и удобное полимерное (пластиковое) оптическое волокно.

Подавляющее большинство ВОСС является цифровыми бинарными системами, в которых информация представлена в виде некоторой последовательности нулей (0) и единиц (1). Для их передачи в ВОСС чаще всего используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

При этом последовательность двоичных символов может быть по-разному представлена в виде последовательности оптических импульсов. Форматы представления двоичной информации в цифровых системах связи с импульсно-кодовой модуляцией (РСМ): без возвращения к нулю (NRZ), с возвращением к нулю (RZ), двухфазный, или Манчестер (Bi-Phase), CMI-код (CMI) приведены на рис. 2.

Рис. 2

Наиболее часто применяются первые два формата: амплитудная модуляция без возвращения к нулю (NRZ) и амплитудная модуляция с возвращением к нулю (RZ). В обоих случаях используется простейшая интуитивно естественная кодировка, при которой ноль (0) соответствует отсутствию сигнала, а единица (1) - наличию сигнала. Отличие заключается в том, что в NRZ-формате импульс, обозначающий 1, занимает весь выделенный для ее передачи период, а в RZ-формате только некоторую часть периода, например 50%. В системах передачи нового поколения, использующих оптическое временное уплотнение информации (OTDM), нашли применение также двухфазный формат, или «Манчестерский код», и формат CMI.

Кроме импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), используется также аналоговая модуляция, нашедшая применение в основном в кабельном телевидении.

1. Структура и основные компоненты ВОЛС

Известно, что простейшая оптическая система связи передает информацию между двумя точками. Связь типа «точка-точка» на основе оптического волокна называется волоконно-оптической системой связи (ВОСС). В состав ВОСС входят:

передатчик - устройство, преобразующее входные управляющие электрические сигналы U_i(t) в выходные световые сигналы;

физическая среда передачи информационных сигналов - оптическое волокно, свободное пространство;

регенераторы и/или оптические усилители;

приемник - устройство, преобразующее входные оптические сигналы в выходные электрические сигналы.

Рис. 3

В настоящее время источниками световых сигналов являются полупроводниковые лазеры или светодиоды. Световые сигналы, выходящие из передатчика либо излучаются в свободное пространство (лазерные атмосферные системы связи ЛАСС), либо вводятся в снабженное разъемом волокно и передаются по волоконно-оптической линии. В конце канала связи свет поступает в фотоприемник, преобразующий его в электрические сигналы, которые затем обрабатываются и используются в приемном оборудовании. Таким образом, обязательными элементами системы оптической связи являются передатчик, среда распространения сигнала (оптическое волокно) и приемник. Для увеличения дальности передачи информации в ВОСС используются регенераторы или оптические усилители сигналов, а ЛАСС строятся с учетом уравнения дальности оптической связи. Схема ВОЛС, используемой для передачи информации на большое расстояние, приведена на рис.

2. Передающие оптоэлектронные модули

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые (лазерных атмосферных системах связи) ЛАСС и в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть переданы оптической антенной либо введены в волокно с минимальными потерями. Производятся разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции и типу источника излучения, работающие от телефонных скоростей с расстоянием до нескольких метров до скоростей передают в сотни и даже тысячи мегабит в секунду при расстоянии в несколько десятков километров.

Типы и характеристики источников излучения

Главным элементом ПОМ является, источник излучения к которому предъявляются следующие основные требования:

- излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности атмосферы либо волокна. В традиционных, оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300; 1550 нм;

- источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

- источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника достигала антенны фотоприемника либо попала в волокно с минимальными потерями;

- источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на требуемое расстояние, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

- температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

- стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Главное отличие между ними - ширина спектра излучения. У светодиодов (рис. 4 а) широкий спектр излучения, в то время как лазерных диодов (рис. 4 б, в) значительно более узкий спектр [1, 2]. Разработанные сегодня источники компактны хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями. Выпускаются светоизлучающие диоды со спектральной полосой излучения менее 25 мм и инжекционные лазеры со спектральной полосой излучения около 1...2 мм, с высокой эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения, высокой направленностью излучения, значительным сроком службы (10⁵ - 10⁶ часов), температурной и радиационной стойкостью, высоким быстродействием (выше 10^-9 сек), высоко технологичные и доступные по цене.

а                                             б                          в

Рис. 4

Светодиоды - это источники излучения для линий связи со скоростью передачи информации до 200 Мбит/с. Лазерные диоды по своим параметрам наиболее полно удовлетворяют большинству требований, предъявляемых к источникам излучения и они могут обеспечивать безретрансляционную передачу данных на расстояния более сотен километров со скоростью, превышающей 10 Гбит/с.

Светоизлучающие диоды

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Диодные гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Соответствующий композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку, табл. 1 [2].

Длину волны излучения l, определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения Dl_0,5 - как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

Таблица 1

Следует отметить, что все излучающие полупроводниковые приборы характеризуются энергетическими и световыми параметрами. Излучение имеет определенный спектральный состав, который в функции от длины волны излучения определяется плотностью потока излучения

j_1l(l) = dФ_е/dl, [Вт/мкм] (1)

причем полный лучистый поток при непрерывном спектре

.[Вт] (2)

В световых параметрах, за единицу (сила света - кандела) принимается сила света, испускаемая стандартной площадью абсолютно черного тела при температуре 2042 К. За единицу светового потока принимается Ф-люмен (лм) - поток, испускаемый силой в 1 канделу (кд) в телесный угол равный 1 стерадиану (ср).

Светодиод - полупроводниковый прибор, на основе выпрямляющего контакта (вырожденных полупроводников, одинарных и двойных гетероструктур), который дает некогерентное излучение и работает на прямой ветви, при протекании прямого тока (рис. 5а), вызывающего инжекцию неосновных носителей в базовую область диодной структуры. Инжектированные носители заряда рекомбинируют либо вблизи р-n-перехода, либо в области объемного заряда с испусканием фотона. При этом носители переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий, а избыточная энергия излучается в виде электромагнитной волны. При рекомбинации, для излучения кванта, необходимо чтобы выполнялся как закон сохранения энергии, так и закон сохранения импульса (т.е. используются прямозонные полупроводниковые материалы).

Длина волны излучения l (мкм) связана с шириной запрещенной зоны (рис. 5б, энергетическая диаграмма при прямом смещении) активного слоя Е_g (эВ) законом сохранения энергии