Додаток f. Джерела і приймачі випромінювання

В качестве источников излучения используются светодиоды и полупроводнико­вые лазеры. Светодиоды (LED — Light Emited Diode) являются некогерентными источниками, генерирующими излучение в некоторой непрерывной области спектра шириной 30-50 нм. Из-за значительной ширины диаграммы направлен­ности их применяют только при работе с многомодовым волокном. Самые дешевые излучатели работают в диапазоне волн 850 нм (с них началась волоконная связь). Передача на более длинных волнах эффективнее, но технология изготов­ления излучателей на 1300 нм сложнее и они дороже. По конструкции различают светодиоды с поверхностным и боковым излучением. Последние обладают более узкой направленностью луча. Из-за относительно невысокого быстродействия светодиодов их применяют только до скоростей 622 Мбит/с, где с учетом избы­точности кода 8В/10В скорость в линии составляет 777,6 Мбод.

Лазеры являются когерентными источниками, обладающими узкой спект­ральной шириной излучения (1-3 нм, в идеале - монохромные). Лазер дает уз­конаправленный луч, необходимый для одномодового волокна. Длина волны — 1300 или 1550 нм, осваиваются и более длинноволновые диапазоны. Быстродей­ствие выше, чем у светодиодов. Лазер менее долговечен, чем светодиод, и более сложен в управлении. Мощность излучения сильно зависит от температуры, по­этому приходится применять обратную связь для регулировки тока. Лазерный источник чувствителен к обратным отражениям: отраженный луч, попадая в оп­тическую резонансную систему лазера, в зависимости от сдвига фаз может вы­звать как ослабление, так и усиление выходного сигнала. Нестабильность уровня сигнала может приводить к неработоспособности соединения, поэтому требова­ния к величине обратных отражений в линии для лазерных источников гораздо жестче. Лазерные источники применяются и для работы с многомодовым волок­ном (например, в технологии Gigabit Ethernet 1000Base-LX).

Спектральные характеристики излучателей изображены на рис. F.1.

Рис. F.1. Спектральные характеристики излучателей: а — светодиод, б — лазер

Детекторами излучения служат фотодиоды. Существует ряд типов фотодио­дов, различающихся по чувствительности и быстродействию. Простейшие фото­диоды со структурой рп имеют низкую чувствительность и большое время от­клика. Большим быстродействием обладают диоды со структурой pin, у которых время отклика измеряется единицами наносекунд при приложенном напряжении от единиц до десятков вольт. Лавинные диоды обладают максимальной чувстви­тельностью, но требуют приложения напряжения в сотни вольт, и их характери­стики сильно зависят от температуры. Зависимость чувствительности фотодио­дов от длины волны имеет явно выраженные максимумы на длинах волн, определяемых материалом полупроводника. Самые дешевые кремниевые фото­диоды имеют максимальную чувствительность в диапазоне 800-900 нм, резко спадающую уже на 1000 нм. Для более длинноволновых диапазонов используют германий и арсенид индия и галлия.

На основе излучателей и детекторов выпускают готовые компоненты — пере­датчики, приемники и приемопередатчики. Эти компоненты имеют внешний электрический интерфейс ТТЛ или ЭСЛ. Оптический интерфейс — коннектор определенного типа, который часто устанавливают на отрезок волокна, прикле­енный непосредственно к кристаллу излучателя или детектора. Передатчик (transmitter) представляет собой излучатель со схемой управления. Основными оптическими параметрами передатчика являются выходная мощность, длина вол­ны, спектральная ширина, быстродействие и долговечность. Мощность передат­чиков указывают для конкретных типов волокон (чтобы в расчетах не учитывать диаграмму направленности, диаметр и апертуру излучателя). Для одного и того же передатчика в ММ-волокно с большим диаметром сердцевины вводится большая мощность. Быстродействие определяется временем нарастания (от 10 до 90 % мощности) и спада (от 90 до 10 %) сигнала на выходе. Долговечность источника определяет время (миллионы часов), за которое мощность излучения падает на 3 дБ (деградация мощности происходит из-за разрушения структуры кристалла прибора).

Приемник (receiver) — это детектор с усилителем-формирователем. Приемник характеризуется диапазоном принимаемых волн, чувствительностью, дина­мическим диапазоном и быстродействием (полосой пропускания). Полоса, про­пускания приемника BW определяется через время отклика t_R зависящее от емкости диода со схемами подключения и сопротивления нагрузки:

Чувствительность приемника — минимальная детектируемая оптическая мощность — определяется уровнем шумов различного происхождения и в основном зависит от фотодиода. Динамический диапазон — разница между максималь­ной и минимальной детектируемой мощностью (в децибелах). Уровень макси­мальной мощности, при которой еще не происходит насыщения приемника, определяется как фотодиодом, так и усилителем. Для детектирования сигнала с уровнем ошибок не выше заданного уровня BER (Bit Errors Ratio — относитель­ное количество ошибочных бит) мощность принимаемого сигнала должна ле­жать в пределах динамического диапазона. Так, например, для приемников с чувствительностью -33 дБм и динамическим диапазоном 20 дБ допустим уро­вень сигнала от -33 до - 13 дБм. Более высокие частоты передачи требуют более высокого уровня сигнала на входе приемника. Приемник различает уровни сиг­налов относительно некоторого порогового значения. Для расширения динами­ческого диапазона пороговый уровень определяется динамически по усреднен­ному значению входного сигнала. В большинстве схем кодирования уровень мощности оптического сигнала зависит от передаваемой информации (мощ­ность тем больше, чем дольше выходной сигнал находится в активном состоя­нии). С точки зрения приема информации выгоднее схемы кодирования, у кото­рых значения максимальной и минимальной мощности различаются как можно меньше. Для таких схем кодирования легче обеспечить большой динамический диапазон с безошибочным приемом информации.

Поскольку в сетях всегда используется двунаправленная связь, выпускают и трансиверы (transceiver) — сборку передатчика и приемника с согласованными параметрами. Для трансиверов, кроме вышеприведенных параметров передатчи­ка и приемника, применимо понятие бюджета мощности.