Материал: Элементы оптических систем связи

Рассмотрим подробнее особенности построения фотоприемных устройств при различных методах выделения оптического сигнала.

В настоящее время для регистрации излучения оптического диапазона используют прямой фотоприем (детектирование) и гетеродинный метод. При прямом фотоприеме энергия излучения в пределах спектральной чувствительности непосредственно преобразуется фотоэлементом и выходной сигнал определяется входной мощностью. Сущность оптического гетеродинирования заключается в смешении сигналов оптической частоты и наблюдении биений волн от источника сигнала и от гетеродина. Гетеродинный прием стал возможным лишь при использовании лазеров, обладающих высокой степенью когерентности.

Прямой фотоприем

Падающий поток излучения со средней мощностью Р_с и частотой n вызывает появление первичного фототока I_ф в цепи фотоэлементом

I_ф = qh_eP_c/hn, (89)

где h - квантовый выход.

Одним из основных параметров приемных систем наряду с минимально обнаружимым сигналом Р_{с мин} является и отношение с/ш. Для фотоприемников с коэффициентом внутреннего усиления по току М (лавинных фотодиодов) отношение с/ш имеет вид

 (90)

где m - коэффициент модуляции света;

I_фон - фототок, обусловленный фоновым излучением;

I_т - темновой ток;

F (М) - коэффициент, учитывающий увеличение шума в процессе усиления;

 - эффективный средний квадрат тока теплового шума;

R_экв - сопротивление, эквивалентное выходному сопротивлению фотоэлемента и цепи нагрузки.

В идеальном случае, когда существен только фотонный шум сигнала из соотношений (89) и (90) можно получить выражение для пикового значения переменной составляющей минимально обнаружимого сигнала

, (91)

т.е. в идеальном случае Р_{с мин} пропорциональна Df.

При с/ш = 1, h = 1, F(М) = 1, m = 1 пиковое значение переменной составляющей , что соответствует в среднем двум фотонам в секунду в единичной полосе.

В реальных приемных системах фотонным шумом сигнала можно пренебречь. Тогда, как видно из выражения (90), минимально регистрируемая мощность сигнала пропорциональна . Применение фотоэлементов с внутренним усилением тока приводит к увеличению отношения с/ш и уменьшению P_{c мин} по сравнению с системой без внутреннего усиления. В реальных системах с внутренним усилением тока максимальную чувствительность можно получить, если общий дробовой шум сравним со значением теплового шума или шума усилителя.

В классической схеме построения ВОСС непосредственного приема оптических сигналов (с модуляцией по интенсивности) детектируемый фотодиодом ток после усиления малошумящим усилителем и фильтрации, для уменьшения влияния шумов поступает на схему принятия решений - порогового устройства (ПУ), рис.47.

Рис. 47

Принятие решений реализуется устройством восстановления синхроимпульсов (УВСН).

Основным показателем качества фотоприемника является отношение с/ш, который на выходе фотодетектора есть среднеквадратичное значение флуктуаций (дисперсии) выходного тока и определяется по формуле Шотки. Дополнительным источником шума в фотоприемнике является тепловой шум, обусловленный активным сопротивлением нагрузки.

В случае непосредственного оптического приема сигналов с аналоговой модуляцией фотоприемник содержит (рис. 48) собственно фотодиод, усилитель переменной составляющей выходного тока и фильтры, отделяющие составляющие спектра сигнала от шумов.

Оптическое предусиление светового сигнала лазерными усилителями, вследствие шумов последних, не дает значительного увеличения чувствительности и не оправдывает затрат.

Рис. 48

Особый интерес представляют системы оптической связи, использующие предварительную модуляцию поднесущей частоты передаваемым сигналом, рис. 49. При этом информационный электрический сигнал поступает на модулятор (М), где происходит первая операция- модуляция поднесущей частоты по амплитуде, либо по фазе или частоте. Затем промодулированная поднесущая частота поступает на оптический излучатель, где происходит вторая операция - модуляция интенсивности оптического излучения.

Рис. 49

В принципе это известный метод повышения отношения с/ш и снижения нелинейных искажений, вносимых оптическими излучателями, при условии обеспечения хорошей линейности характеристик модуляторов и демодуляторов (ДМ). Можно показать, что АМ с последующей модуляцией интенсивности менее предпочтительна по сравнению с другими видами модуляции и, кроме того, при ЧМ и использовании схем коррекции предискажений получается отношение с/ш на 15 дБ больше, чем при прямой модуляции интенсивности.

. Оптический гетеродинный прием

Когерентный прием (в ВОСС и ЛАСС), в котором применяется гетеродинное и гомодинное оптическое преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемый по промежуточной частоте. При оптическом гетеродинировании на входе фотоэлементе смешиваются сигнал мощностью Р_с и излучение гетеродина мощностью Р_г. Смешение осуществляется с помощью оптического устройства, к которому предъявляются жесткие требования, обеспечивающие точное совмещение волновых фронтов. Величина среднего фототока на промежуточной частоте при Р_г >>Р_с определяется выражением

I_пр = h_e(2P_сP_г)^0,5hn. (92)

В процессе оптического гетеродинирования происходит усиление сигнала, которое приводит к тому, что основным становится дробовой шум, обусловленный излучением гетеродина, так как мощность его превосходит мощность других потоков. Коэффициент усиления гетеродинного преобразователя - отношение мощности на промежуточной частоте, рассеиваемой на входном сопротивлении усилителя, к мощности оптического сигнала - может быть большим при использовании мощного гетеродина.

Из выражений (89) и (90) видно, что при оптимальной схеме гетеродинного приема (обеспечена параллельность волновых фронтов и одинаковая поляризация) минимально обнаружимый сигнал дается выражением [14]

 (93)

получаемым при замене в (90)  на I_пр.

В идеальном случае гетеродинного приема, когда вторым слагаемым в (93) можно пренебречь,

; (94)

при с/ш = 1, h = 1, F(M) = 1 получим , т.е. реализуется чувствительность, равная теоретическому пределу, определяемому фотонным шумом.

Как видно из выражения для Р_{с мин} большая мощность гетеродина необходима не только для получения высокого коэффициента усиления, но и для эффективного «подавления» тепловых шумов. Для гетеродинного приема характерна линейная зависимость Р_{с мин} от ширины полосы. Это обстоятельство снижает принципиальные преимущества гетеродинного приема при большой ширине полосы. Например, при f = 1 МГц минимально регистрируемая мощность увеличивается на 6 порядков по сравнению с мощностью для единичной полосы, в то время как при прямом приеме Р_смин возрастает лишь на 3 порядка. При оптическом гетеродинировании сохраняется информация о частоте и фазе сигнала, т.е. возможна фазовая модуляция принимаемого излучения. Для гетеродинных систем характерна малая угловая апертура (ограничение дифракцией).

В ВОСС на передающей стороне излучение оптического передатчика (ОП) проходит оптический вентиль (ОВ) и электрооптический модулятор (М), управляемый информационным сигналом, рис. 50. При этом на выходе необходимо иметь оптический сигнал, спектральная полоса которого максимально узкая, чтобы эффективность гетеродинирования была наилучшей. В частности, при гетеродинном приеме цифровых АМ, ЧМ и ФМ сигналов отношение DlВ^-1 (Dl - спектральная полоса оптического излучателя, В - полоса частот принимаемого полезного сигнала) должно составлять 10^-2 - 5Ч10^-3, а при гомодинном приеме ФМ оно равно 0,5Ч10^- При использовании одномодового волокна (ОВ) на приемной стороне необходимо устанавливать поляризационный контроллер (ПК), совмещающий плоскость поляризации местного оптического гетеродина (Гет) с плоскостью поляризации сигнального излучения.

В оптическом гетеродинном приемнике сигнал суммируется в оптическом соединителе (ОС) с излучением оптического гетеродина и подается на квадратичный фотодетектор (ФД) (рис. 50). Излучение гетеродина, как и лазера передатчика, должно быть узкополосным, тогда в результате нелинейного преобразования суммарного сигнала фотодетектором на его выходе появляется сигнал промежуточной частоты. Демодуляция сигнала промежуточной частоты осуществляется синхронным или несинхронным демодулятором (ДМ) или в случае цифровой ФМ - фазоразностной схемой.

Рис. 50

Контур автоподстройки частоты (АПЧ) обеспечивает регулировку частоты лазерного гетеродина (Гет) и удержания значения разностной частоты в пределах частотной полосы усилителя промежуточной частоты, следующего за ФД и ДМ.

В отличие от гетеродинного при гомодинном методе приема (рис. 51) частоты колебания принимаемого оптического излучения и местного оптического гетеродина должны быть одинаковы, а фазы синхронизированы. При этом демодулированный сигнал на выходе ФД имеет частотный спектр, сдвинутый в область низких частот и полное восстановление сигнала осуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ). Главным отличием гомодинного приема от гетеродинного является уменьшенная в 2 раза требуемая полоса частот, что снижает дисперсии шумов также в 2 раза. При этом отношение с/ш оказывается лучше в 2 раза, а это существенно увеличивает чувствительность фотоприемника [165].

Рис. 51

Из описания схем когерентных ВОСС следует, что к целому ряду элементов системы предъявляются высокие технические требования, они конструктивно сложны и дороги. Однако здесь есть и неоспоримые достоинства: - чувствительность гетеродинных и гомодинных приемных устройств ограничивается только уровнем дробовых шумов излучения гетеродина, которая приближается к квантовому пределу детектирования в оптическом диапазоне. По чувствительности такие устройства превосходят реальные приемные устройства прямого детектирования на 10-20 дБ (в зависимости от схемы модуляции - демодуляции). Используется перспективная техника модуляции-демодуляции в частности ЧМ и ФМ, фазоразностный прием с известными из радиотехники преимуществами этих методов модуляции, что, в конечном счете, улучшает чувствительность приемного устройства. Сочетание этих систем и спектрального разделения каналов позволяет достаточно полно использовать окно прозрачности (0,9-1,35; 1,45-1,7 мкм) с малыми потерями в оптическом волокне, а высокая спектральная селективность оптического когерентного детектирования дает возможность применять полупроводниковые оптические усилители с улучшенными шумовыми характеристиками и осуществлять каскадирование усилителей.

Перечисленные достоинства когерентных ВОСС позволяют увеличить расстояние между оптическими ретрансляторами до 100 км (на l = 1,55 мкм), а между электронными регенеративными ретрансляторами до 10⁴ км [164,165].

В настоящее время реально используются и ЛАСС. Фотоприемники таких систем строятся, как правило, на ЛФД либо p-i-n-диодах, снабжаются мощными объективами, обеспечивающими малый угол обзора (порядка 0,5^о), используют импульсную модуляцию, работают в ближнем ИК диапазоне (780 - 950 нм). Такие системы выполняют в двухканальном варианте (прием передача) и отличаются от ВОСС лишь средой распространения, что требует больших мощностей излучения (пиковая до 2 Вт, или средняя порядка 20 мВт).

Одним из основных факторов ограничивающих применение ЛАСС является воздействие помех естественного и искусственного происхождения, снижающих прозрачность атмосферы (туман, снег, дым и др.)

Теоретически дальность связи определяется соотношением:

 (95)

где P_t пиковая мощность лазерного излучения,

P_r - пороговая мощность фотоприемного устройства,

S_r - площадь апертуры фотоприемного устройства (равна площади линзы объектива),

t - длительность принимаемых импульсов,

a - угол расходимости луча передатчика,

d - суммарный коэффициент потерь сигнала в системе.

В формуле (89) не учитываются помехи, вызванные искажением сигнала, поскольку атмосферные шумы имеют спектр до 1 МГц, а скорость передачи более 1 Мбит/с.

Величина суммарного коэффициента потерь в выражении для дальности связи является самой неопределенной, т.к. зависит от состояния атмосферы и достоверными признаются только экспериментальные методы ее оценки.

В настоящее время при сохранении конкурентоспособной цены высокоскоростная ЛАСС принципиально реализуема для дальности не более 1-2 км. Пути повышения дальности следуют из формулы (95). Снижение порога чувствительности фотоприемника определяется состоянием элементной базы, либо применяемыми принципами приема.

Для увеличения дальности следует либо увеличивать диаметр линз, что существенно увеличивает цену системы, либо применять линзы Френеля большого диаметра, что усложняет эксплуатацию.

Уменьшение коэффициента потерь (с целью увеличения дальности) в атмосфере возможно лиши при использовании более длинноволновой части светового диапазона, где снижаются помехи, однако сегодня не существует ЛАСС на длинах волн более 950 нм.