Материал: Элементы оптических систем связи

Уменьшение угла расходимости требует не только усложнения настройки системы но и применения более дорогих объективов, что в ряде случает экономически не оправдано.

Сегодня эксплуатируется более 2 тыс. ЛАСС различного класса, выпускаемых Canon Inc., Laser Communications Inc, Jolt Communications Ltd, Freebird Communications Ltd, Modular Technology PLC, A.T. Schindler Communications, цена которых лежит в пределах 10 - 20 тыс. Долларов США. Дальность связи таких ЛАСС от 300 до 1200 м и обеспечивается в основном светодиодами, имеющими наработку на отказ порядка 70 тыс. часов. Наиболее дорогой (110 тыс. долларов США) и технологически совершенной считается ЛАСС Canobeam II (фирмы Canon) с дальностью до 4 км и со скоростью связи 155 Мбит/с.

Отечественные ЛАСС сегодня обладают наибольшей дальностью (порядка 10 км) при незначительной скорости передачи 115,2 Кбит/с с единственным поддерживаемым интерфейсом RS232. Большинство ЛАСС работает на дистанциях от 200 м до 4 км со скоростью передачи 2 Мбит/c. Разрабатываются и уже запущена в производство ЛАСС на 100 Мбит/с с дальностью 1,5 км (Воронежский НИИ связи). Кроме указанного НИИ активно работает над ЛАСС Институт лазерной физики Сибирского отделения Академии наук.

Главным ограничением ЛАСС кроме дальности (не более 10 км) является их абсолютная надежность.

Наилучшими параметрами эти системы обладают в космическом пространстве при организации информационного обмена. Такие лазерные космические системы связи (ЛКСС) в настоящее время разрабатываются в США (NASA), Японии (NASDA), Франции (SILEX), НПО космического приборостроения, РКК «Энергия» и работают со скоростями передачи информации и при дальностях 6 км и 40 тыс. км соответственно 1,2 Гбит/с и 128 Мбит/c.

. Усилители фотоприемных устройств

В ПРОМ в качестве предварительных усилителей применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные. Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 52. Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора.

Рис. 52

Элементы входной цепи фотоприемного устройства представлены на рисунке как эквивалентные (R_Э, С_Э). Эквивалентное сопротивление определяется

/R_э = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/ + 1/R_д ,(96)

где R_т - сопротивление "затвор - исток",_д - сопротивление фотодиода,₁ - сопротивление смещения фотодиода, R₂ - сопротивление смещения транзистора. Эквивалентная емкость определяется:

С_э = С_д + С_т + С_п, (97)

где С_д - емкость фотодиода,

С_т - входная емкость транзистора,

С_п - паразитная емкость соединений Напряжение на входе усилителя без учета С_э

U_вх = I_фGR_э, (98)

где I_ф - фототок, - коэффициент усиления фотодиода (ЛФД). Напряжение на входе усилителя с учетом С_э

(99)

Напряжение на выходе усилителя

 (100)

где К - коэффициент усиления усилителя. Совмещение усилителя с корректором может расширить до требуемой величину полосы пропускания входной цепи

 (101)

Такой корректор может быть включен после усилителя и, обеспечить условие

U_вых = K₀I_фGR_э. (102)

Кроме того, между фотодиодом и транзистором могут быть включены дополнительные устройства противошумовой коррекции (рис. 53).

Рис. 53

Достоинства схемы фотоприемного устройства с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в том, что может быть получена (благодаря коррекции) любая полоса пропускания, малые шумы, простота схемы для реализации, технологическая совместимость фотоэлемента и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном по входному сигналу и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рис. 54).

Рис. 54

На рис. 55 представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).

Полоса частот пропускания фотоприемного устройства с ТИУ определяется из простого соотношения

,(103)

при условии, что R_OC << R_Э. Таким образом, выбором значений К и R_ОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами фотоприемного устройств с ТИУ являются:

- большой динамический диапазон входных сигналов;

простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

простота настройки схемы.

Недостатками следует считать:

возможную неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот;

уменьшенное соотношение с/ш на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления R_ОС.

Рис. 55

Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n-фотодиодов порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах М (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности фотоприемного устройства.

Рассмотрим несколько принципиальных схем фотоприемных устройств. При освещении фотодиодов V_D1 и V_D2 в фотоприемнике на рис. 56 [20] вырабатываются электрические токи i_g1 и i_g2, протекающие через R₃ и R₆ для V_D1 и через R₄ и R₆ для V_D2. Токи протекают по R₃ и R₄ и на входах операционных усилителей D_A1 и D_A2 возникают напряжения U_C1 ≈ i_g1R₃ и U_C2 ≈ i_g2R₄. На входе операционного усилителя D_A1 образуется напряжение, равное разности U_ВЫХ1= U_C2 - U_C1. По резистору R₆ протекают фототоки двух фотодиодов. На неинвертирующем входе образуется напряжение U_C3 ≈ R₆(i_g1 + i_g2), а на выходе D_A2 появляется напряжение U_ВЫХ2 = U_C1 + U_C2

Рис. 56

Фотоприемное устройство с подавлением постоянной и низкочастотной компонент фотосигнала приведено на рис. 57 [23].

Рис. 57

Входной МДП-транзистор 2 служит для ввода фототока i_ВХ в устройство, задания потенциала на приемнике и развязке фотоприемника 1 с остальным устройством. Через транзистор обратной связи 9 протекает ток обратной полярности i_об, который вычитается из тока i_вх. Согласованная пара транзисторов 5 и 6 образует делитель тока, причем подавляющая часть тока протекает через транзистор 5, а меньшая часть тока ответвляется в цепь обратной связи через транзистор 6. Коэффициент деления тока можно задавать, во-первых геометрией МДП-транзисторов 5 и 6; во-вторых, путем подачи разных, но близких напряжений смещений U2 и U4 на затворы указанных транзисторов. Ток i₀ c опорного источника 8 разряжает дополнительную емкость 7. Этот процесс способствует закрыванию транзистора 9 и уменьшению тока i_об. При этом разностный ток i_вх - i_об, возрастает и вместе с этим возрастает и ток i₄, который заряжает емкость 7 и приоткрывает транзистор 9. В установившемся режиме при любом постоянном входном токе i_вх токи i₀ и i₄ должны быть равны.

В работах [17, 18, 19, 21, 22] рассмотрены варианты интегральных реализаций усилителей на основе последних технологических достижений микроэлектронной промышленности.

Крупными поставщиками ПРОМ являются фирмы: Epitaxx Inc., Hamamatsu Corp., Hewlett-Packard, Hitachi, Honeywell Inc., Lasertron Inс., Laser Diode Inc., NEC Electronics Inc., OKI Semiconductors, Optek Technology Inc., Optical Communication Product Inc., Ortel Corp, Siemens Corp., Sumitomo Electric Industries Ltd., Toshiba и др. [5].

Повторители и оптические усилители ВОСС

Хорошо известно, что через каждые 50-100 км ВОЛС происходит ослабление оптического сигнала на 10-20 дБ, что требует его восстановления. До начала 90-х г. в действующих линиях связи единственным способом компенсации потерь в линии было применение регенераторов. Регенератор - это сложное устройство, включающее в себя как электронные, так и оптические компоненты. Регенератор преобразует световой сигнал в электрический, распознает его и производит электронное восстановление первоначальной формы сигнала, а затем вновь излучает оптический сигнал, передаваемый дальше по волокну. Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами ограничена возможностями электроники (на сегодняшний день предельная скорость обработки сигналов для электроники порядка 40 Гбит/с, а в 1986 г. она не превышала 1 Гбит/с). Интенсивные исследования (1985-1990 годах), ряд открытий и изобретений привели к появлению технически совершенных промышленных эрбиевых усилителей (Erbium-Doped Fiber Amplifier - EDFA). Усилители на волоконном световоде, легированном ионами эрбия (Er-doped fiber), обладают сочетанием уникальных свойств, обеспечившим им быстрое внедрение в системы дальней связи.

Среди этих свойств следующие:

возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн;

непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно;

практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь ОВ на основе кварцевого стекла;

низкий уровень шума и простота включения в ВОЛС.

В общем случае, ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки - такой ретранслятор называется регенеpaтopoм.

Типы ретрансляторов

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на повторители и оптические усилители.

Ретрансляторы детектируют оптические сигналы, преобразуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств.

Повторители занимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и регенераторами. С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.

Электронно-оптический повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразует обратно в оптический сигнал, рис. 58 а. Можно представить повторитель как последовательно соединенные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала и вместе с полезным сигналом усиливает входной шум. При цифровой передаче повторитель вместе с функцией усиления выполняет функцию регенерации сигнала, рис. 35б, поэтому блок регенерации содержит цепь принятия решения и таймер.

В блоке регенерации восстанавливается прямоугольная форма импульсов (рис. 59), устраняется шум, ресинхронизируется передача так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты.

Повторитель может не содержать таймера и не восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведётся передача. Такие "средонезависимые" повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

а

б

Рис. 58

В локальных ВОСС повторители распространены больше, чем оптические усилители, хотя при построении оптических магистралей оптические усилители незаменимы.

Рис. 59

Оптический усилитель (ОУ) не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала, рис. 58б. ОУ не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала и в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум, добавляя к последнему и собственный шум.

Простота конструкции, в которой, преобладают пассивные компоненты и высокая надежность должны обеспечить низкую цену, так как число компонентов в ОУ меньше, чем в повторителе. Но реально цена ОУ сегодня выше повторителей и будет падать только с увеличением рынка продаж. Надежность ОУ является главным преимуществом при создании ретрансляторов для подводных ВОЛС. Кроме того, ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как повторитель обычно исполняется для работы на определенной скорости, на которую конфигурируется таймер повторителя.