13. Источники и приемники световых излучений

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от энергетических характеристик приемопередающих устройств и параметров оптических волокон.

В электросвязи оптического диапазона длин волн принято при распространении и линейных преобразованиях оптического сигнала считать его непрерывным. Дискретностная природа света учитывается только на стадии описании работы фотоприемника. Энергия оптического сигнала согласно квантовой теории будет поглощаться фотоприемником квантами с величиной энергии кванта , где h – постоянная Планка, - частота колебаний.

Падение и поглощение каждого фотона и генерация пары носителей являются частями случайного процесса. Он протекает как серия дискретных событий, а не плавно текущий однородный поток.

В сигнале с постоянной мощностью Р интенсивность потока фотонов характеризует лишь среднее значение числа фотонов на некотором интервале времени Т.

Если обозначить среднее число фотонов поступающих на некотором интервале длительности Т на фотодиод через m, реализуемое число фотонов n = 0, 1, 2, .. при заданном среднем случайно и распределено по закону Пуассона

(13.1)

при этом среднее квадратическое отклонение при законе Пуассона равно

(13.2)

и характеризует величину шума, которая зависит от энергии оптического сигнала.

С увеличением энергии оптического сигнала соотношение сигнал/шум возрастает и изменяется по закону

(13.3)

При передаче сигнала в радиотехническом диапазоне число фотонов в сигнале чрезвычайно большое, поэтому фотонный шум в этом случае не учитывается.

Источник светового излучения представляет собой прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения.

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т (рек. G.957) средний уровень оптической мощности (Р_ср) при передаче в диапазоне оптических длин волн 1,26…1,36 мкм и передаче со скоростью 155 Мбит/с или 622 Мбит/с равен - 8 дБм, а в диапазоне 1,53 … 1,58 мкм равен Р_ср = - 3…+3 дБм.

Необходимо учитывать нижеследующие основные параметры источников излучения, которые оказывают влияние на качество и скорость передачи информации:

- спектральные характеристики излучения - определяют длину волны, соответствующей максимуму спектра излучения _макс , мкм, (нм); ширину спектральной линии , нм, определяемой по 50%-ному уровню спада интенсивности; модовым составом излучения (у лазеров).

- быстродействие источника излучения - обычно определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса тока накачки t_нр(сп) , нс, и временем задержки импульса излучения t_зд , нс. Эти параметры измеряются, как принято в радиотехнике, по уровням 0,1 и 0,9 фронта и среза.

Принцип действия лазеров и основные типы и характеристики отечественных лазеров и передающих оптических модулей (ПОМ) для применения в ВОСП приведены в [3].

Приемник светового излучения представляет собой прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это излучение и измерить его характеристики.

К основным параметрам фотодиода, описывающим его как приёмник оптических сигналов и как элемент электрической цепи, относятся:

- монохроматическая чувствительность , А/Вт, равная отношению фототока (I) к полной мощности излучения с длиной волны ,(P_изл()) падающей на чувствительную площадку фотодиода:

(13.4)

- темновой ток I_т , равный току утечки фотодиода при полном затемнении и при заданном обратном напряжении;

- максимально допустимое обратное напряжение U_{обр.макс.доп.} , характеризующее предельные возможности фотодиода при включении в электрическую цепь;

- время нарастания (спада) t_нр(сп) фототока, определяемое по фронту (срезу) фотоответа (обычно по уровням 0,1 и 0,9 амплитуды импульса фототока) при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения; иногда в качестве характеристического времени используют параметр _рел – постоянную времени релаксации фотоотклика, при экспоненциальном нарастании и спаде фототока справедливо t_нр(сп) = 2,2 _рел;

- граничная частота f_гр , определяемая при изменении частоты модуляции оптического излучения по спаду чувствительности S_ф до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении;

- ёмкость фотодиода С_фд , равная сумме зарядной ёмкости активной структуры и паразитной ёмкости корпуса; во многих режимах работы именно параметр С_фд, а не t_нр(сп) - определяет инерционность прибора.

В оптическом диапазоне частот, в отличии от радиотехнического, необходимо учитывать, что энергия кванта (фатона) становится сравнимой с энергиями принимаемых сигналов.