- •А.Н. Игнатов
- •Новосибирск 2013
- •Предисловие
- •1.1 Введение в волоконную оптику
- •1.2 Особенности оптической электроники
- •1.3 История развития оптоэлектроники
- •1.4 Современное состояние оптоэлектронной элементной базы
- •1.5 Система обозначений оптоэлектронных приборов индикации
- •1.6 Система обозначений полупроводниковых приборов и оптронов
- •Тестовые вопросы к главе 1 «Введение в оптоэлектронику»
- •2 Физические основы оптоэлектроники
- •2.1 Различие между фотометрическими и энергетическими характеристиками
- •2.2 Фотометрические характеристики оптического излучения
- •2.2.1 Функция видности и ее зависимость от длины электромагнитной волны
- •2.2.2 Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света
- •2.2.3 Сила света, IV
- •2.2.4 Освещенность поверхности, е
- •2.2.5 Закон освещенности
- •2.2.6 Светимость излучающей поверхности, м
- •2.2.7 Яркость светящейся поверхности, l
- •Величина
- •2.2.8 Закон Ламберта
- •2.2.9 Световая экспозиция, нv
- •2.5 Колориметрические параметры
- •2.6 Когерентность оптического излучения
- •2.6.1 Монохроматическая электромагнитная волна (мэв)
- •2.6.2 Особенности излучения электромагнитных волн в ультрафиолетовом (уф), видимом и инфракрасном (ик) диапазонах
- •2.7 Квантовые переходы и вероятности излучательных переходов
- •2.7.1 Энергетические уровни и квантовые переходы
- •2.7.2 Спонтанные переходы
- •2.7.3 Вынужденные переходы
- •2.7.4 Соотношения между коэффициентами Эйнштейна
- •2.7.5 Релаксационные переходы
- •2.8 Ширина спектральной линии
- •2.9 Использование вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля
- •2.10 Механизм генерации излучения в полупроводниках
- •2.11 Прямозонные и непрямозонные полупроводники
- •2.12 Внешний квантовый выход и потери излучения
- •2.13 Излучатели на основе гетероструктур
- •2.14 Поглощение света в твердых телах
- •2.15 Типы переходов и характеристики излучающих полупроводниковых структур.
- •2.16 Параметры оптического излучения
- •Тестовые вопросы к главе 2 «Физические основы оптоэлектроники»
- •3 Приборы некогерентного излучения
- •3.1 Источники света
- •3.1.1 Разновидности источников
- •3.2 Основные характеристики и параметры светодиодов
- •3.2.1 Параметры светодиодов
- •3.2.2 Характеристики светодиодов
- •3.2.3 Определение и оценка параметров светодиодов
- •3.2.4 Схемы возбуждения, обеспечивающие высокую световую эффективность светодиодов
- •3.2.5 Влияние температуры
- •3.2.6 Срок службы
- •3.2.7 Ограничение тока
- •3.2.8 Достоинства твердотельных излучателей
- •3.3 Конструкции светодиодов
- •3.4 Основные схемы возбуждения светодиодов
- •3.5 Выбор типа светодиода
- •3.5.1 Основные соображения для выбора типа светодиода
- •3.5.2 Памятка разработчику
- •3.6 Электрическая модель светодиода
- •3.7 Светодиоды инфракрасного излучения
- •3.8 Светодиодные источники повышенной яркости и белого света
- •Тестовые вопросы к главе 3 «Источники некогерентного излучения»
- •4 Приборы когерентного излучения
- •4.1 Физические основы усиления и генерации лазерного излучения
- •4.2 Структурная схема лазера
- •4.3 Лазеры на основе кристаллических диэлектриков
- •4.4 Жидкостные лазеры
- •4.5 Газовые лазеры
- •4.6 Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного моно лазера
- •4.7 Устройство и принцип действия полупроводниковых лазеров с гетероструктурами
- •4.8 Волоконно-оптические усилители и лазеры
- •4.8.1 Волоконные усилители
- •4.8.2 Волоконные лазеры
- •4.8.3 Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния
- •4.9 Светоизлучающие диоды для волоконно-оптических систем
- •4.10 Сравнительная характеристика лазеров и светодиодов
- •4.10.1 Параметры отечественных полупроводниковых лазеров и оптических модулей
- •4.11. Квантовые эффекты в полупроводниках
- •4.12. Фотонные нанокристаллы.
- •4.13. Наноэлектронные лазеры
- •4.13.1. Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами
- •4.13.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами
- •4.14.1. Органические светодиоды
- •4.14.2. Пассивно-матричные oled
- •4.14.3. Активно-матричные oled
- •4.14.4. Технологии получения органических светодиодов
- •Тестовые вопросы к главе 4 «Приборы когерентного излучения»
- •5 Полупроводниковые фотоприемные приборы
- •5.1 Принцип работы фотоприемных приборов
- •5.2 Характеристики, параметры и модели фотоприемников
- •5.2.1 Параметры фотоприемников
- •5.2.2 Характеристики фотоприемников
- •5.2.3 Параметры фотоприемника как элемента оптопары
- •5.2.4 Электрические модели фотоприемников
- •5.3 Фотодиоды на основе p-n – перехода
- •5.4 Фотодиоды с p–I–n структурой
- •5.5 Фотодиоды Шоттки
- •5.6 Фотодиоды с гетероструктурой
- •5.7 Лавинные фотодиоды
- •5.8 Фототранзисторы
- •5.9 Фототиристоры
- •5.10 Фоторезисторы
- •5.11 Основные характеристики и параметры фоторезистора
- •5.12 Пзс приемные фотоприборы
- •5.13 Фотодиодные сбис на основе моп – транзисторов
- •5.14 Пиротехнические фотоприемники
- •5.15. Фотоприемные наноэлектронные приборы
- •5.15.1. Фотоприемники на квантовых ямах
- •5.15.2. Фотоприемники на основе квантовых точек
- •Тестовые вопросы к главе 5 «Полупроводниковые фотоприемные Приборы»
- •6 Оптроны
- •6.1 Устройство и принцип действия оптронов
- •6.2 Структурная схема оптрона
- •6.3 Классификация и параметры оптронов
- •6.4 Электрическая модель оптрона
- •6.5 Резисторные оптопары
- •6.6 Диодные оптопары
- •6.7 Транзисторные оптопары
- •6.8 Тиристорные оптопары
- •Тестовые вопросы к главе 6 «Оптроны»
- •7 Индикаторные приборы
- •7.1 Жидкокристаллические индикаторы
- •7.1.1 Основы теории
- •7.1.2 Ячейки на основе эффекта динамического рассеяния (др – ячейки)
- •7.1.3 Ячейки на основе твист-эффекта
- •7.1.4 Основные типы и параметры
- •7.1.5 Схемы включения жидкокристаллических индикаторов
- •7.1.6 Схемы управления многоразрядными индикаторами
- •7.2 Электролюминесцентные индикаторы
- •7.2.1 Устройство и принцип действия
- •7.2.2 Типы и параметры
- •7.2.3 Схемы включения электролюминесцентных индикаторов
- •7.3 Плазменные панели и устройства на их основе
- •7.4 Электрохромные индикаторы
- •7.5. Отображение информации индикаторными приборами
- •Тестовые вопросы к главе 7 «Индикаторные приборы»
- •8 Применение оптоэлектроннх приборов
- •8.1 Устройство и принцип действия оптоэлектронных генераторов
- •8.1.1 Блокинг - генератор
- •8.1.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения
- •8.1.3 Генератор с мостом Вина
- •8.2 Применение оптоэлектронных приборов в аналоговых ключах и регуляторах
- •8.3 Применение оптронов для выполнения логических функций
- •8.4 Применение оптронов как аналогов электрорадиокомпонентов
- •8.5 Устройство и принцип действия оптоэлектронных усилителей
- •8.6 Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей
- •8.7 Применение оптоэлектронных приборов для измерения высоких напряжений и управления устройствами большой мощности
- •8.8 Устройство и принцип действия оптических устройств записи информации
- •8.9 Принцип лазерно-оптического считывания информации
- •8.10 Принципы цифровой оптической записи и воспроизведения информации с компакт дисков
- •8.10.1 Устройство компакт-диска
- •8.10.2 Запись на компакт диски
- •8.10.3 Отличия cd-r/cd-rw дисков от штампованных
- •8.10.4 Маркировка дисков
- •8.10.5 Надежность дисков cd-r/rw в сравнении со штампованными
- •8.10.6 Изготовление и тиражирование компакт-дисков
- •8.10.7 Воспроизведение компакт-диска
- •8.10.8 Устройство накопителей на cd-rom
- •8.10.9 Представление и параметры звукового сигнала на cd
- •8.10.10 Джиттер
- •8.11 Оптоэлектронные сенсорные системы взаимодействия человека с электронной техникой.
- •8.11 Лазерный микропроектор со спиральной разверткой для мобильных устройств
- •Тестовые вопросы к главе 8 «Применение оптоэлектронных приборов»
- •9. Волоконно-оптические системы связи
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Классификация волоконно-оптических систем распределения
- •9.3. Волоконно-оптические системы распределения
- •9.4. Оптические передатчики
- •9.5 Приемники волоконно-оптических систем связи
- •9.5.1 Приемные оптоэлектронные модули
- •9.6. Цифровые волоконно-оптические системы связи
- •9.7. Аналоговые волоконно-оптические системы связи
- •9.8 Умные соединители на основе смартлинков
- •9.8.1 Технические решения смартлинков
- •9.8.2 Самоформирующиеся компьютеры
- •9.8.3 Оптоволоконные нейроинтерфейсы
- •9.9 Волоконно оптические технологии для сетей доступа
- •9.9.1 Общие сведения
- •9.9.2 Тенденции мирового развития сетей доступа
- •9.9.3 Технологии оптических сетей доступа
- •9.9.4 Категории оптических сетей доступа
- •9.9.5 Волокно до бизнеса – FttBusiness
- •9.9.6 Волокно до дома – ftth
- •9.9.7 Волокно до многоквартирного дома – fттb
- •9.9.8 Волокно до сельского района
- •9.10 Медиоконверторы и их применение в оптических системах связи
- •9.10.1 Общие сведения
- •9.10.2. Основные технические требования, предъявляемые к оборудованию
- •9.10.3. Классификация медиаконвертеров по критерию управляемости
- •9.10.4. Конструктивное исполнение
- •9.10.5. Основные параметры медиаконвертеров
- •9.10.6. Система управления
- •9.10.7. Устройство и применение медиоконвертора rs-485
- •Тестовые вопросы к главе 9 «Волоконно-оптические системы связи»
- •Приложение п1
- •Приложение п2
- •Приложение п3
- •Приложение п4 Перечень принятых сокращений
- •Список цитированной литературы
9.9.5 Волокно до бизнеса – FttBusiness
Строительство таких сетей началось с середины 90-х годов.В основном по оптике подключался малый и средний бизнес. Главное требования к сети – наличие каналов E1 для организации телефонии и передачи данных в канале с гарантированной полосой пропускания. Трафик в канале симметричный и сбалансированный.
Кроме гарантии полосы пропускания, требуется надежность, конфиденциальность и ряд индивидуальных услуг, например организация выделенных каналов между офисами компании, каналов, использующих интерфейсы/протоколы V.35, X.21, Frame Relay – для подключения к банковским службам и т.п. Технологии доступа – SDH, PDH, Ethernet по оптике, PON (BPON, GPON). Что касается EPON, то для FTTBusiness рекомендуется тщательно выбирать производителей оборудования, способных обеспечить высокую доступность, необходимое качество каналов и гарантированную полосу под трафик данных. Тенденция в решениях FTTBusiness – универсализация трафика – качественный, гарантированный IP-трафик.
Рис 9.24 Решение FTTH на основе технологии PON. Центральный узел.
9.9.6 Волокно до дома – ftth
В концепции FTTH (см. рис. 9.24 и 9.25) наиболее интересной (по сравнению с другими альтернативами термина «дом») уже сегодня является «коттедж». Как правило, это уже решение не проблемы «последней мили», а проблемы «последней сотни метров». Расстояния от узла доступа до абонента здесь от нескольких сотен метров (в случае коттеджной застройки) до сотни метров (в случае многоэтажных домов). При строительстве сетей в рамках этой концепции нужно принимать во внимание определенные особенности, которые могут влиять на выбор сетевого решения. Оно будет зависеть от того, какой должна быть кабельная система и какие услуги нужно предоставить абонентам. В табл. 9.3 указаны параметры, влияющие на выбор такого решения, и имеющиеся статистические данные.
Таблица 9.3. Различия между городом и коттеджным поселком
Параметры/особенности
|
Городской микрорайон
|
Коттеджный поселок
|
Наличие кабельной инфраструктуры
|
Коаксиальный кабель (КТВ), телефонная витая пара |
Кабельные коммуникации могут полностью отсутствовать |
Диаметр сети, км
|
2–5
|
до 1
|
Платежеспособность абонента
|
Низкая
|
Средняя/высокая
|
Потребность в базовых сетевых услугах (CATV, Интернет, телефония)
|
Низкая/средняя/ высокая
|
Высокая
|
Потребность в системах видеонаблюдения и пожарно-охранной сигнализации
|
Низкая/средняя
|
Высокая
|
Число абонентов
|
1000–2000 квартир, 50–100 много- квартирных домов
|
50–200 коттеджей
|
Преимущества сетей FTTH
Высокая полоса пропускания, - современные требования к полосе пропускания – это 20–50 Мбит/с в нисходящем (к абонентам) потоке, и более 10 Мбит/с в восходящем. Следует отметить, что полоса 50 Мбит/с соответствует двум потокам HDTV. При широком распространении HDTV-вещания в будущем следует рассчитывать, что каждая семья будет потреблять одновременно до двух потоков видео. Кроме главного преимущества, ОСД обладают такими важными чертами как: конфиденциальность, повышенная надежность, меньшее число узлов с активным оборудованием.
Конфиденциальность, - поставить «жучок» на оптоволокно практически невозможно. А если еще учесть, что оптический сигнал предварительно скремблируется таким, например, протоколом, как GPON, то возможность прослушивания практически исключается.
Повышенная надежность, - ВОК (в отличие от медных кабелей) не подвержены коррозии в местах сварки, а кроссовые порты не окисляются, не реагируют на влажность (как в уличных кроссах для медных кабелей) и характеризуются полным отсутствием перекрестных помех (cross-talk).
Уменьшение числа активных элементов, - рассмотрим, например, технологию GPON. Одно центральное устройство PON OLT может обслужить до 1–2 тысяч абонентов в радиусе 20 км. Одна стойка может вместить до четырех OLT. Таким образом, узел доступа, состоящий из двух стоек, может обслужить до 16 тысяч абонентов в этом радиусе. Примером может служить район Подмосковья, в котором есть 50–100 коттеджных поселков. Все остальные узлы ветвления исключительно пассивные и могут выглядеть как необслуживаемые уличные кроссовые шкафы или муфты.
Следующий уровень – клиентское оборудование. Оператор может иметь точку демаркации своей зоны ответственности в виде порта на оптической панели в доме абонента. Обслуживание абонентского оборудования может осуществляться сервисными центрами, как для ADSL и кабельных модемов. Такая топология и организация сети доступа существенно уменьшает затраты на ее обслуживание.
Рис. 9.25 Решение FTTH на основе технологии PON. Разводка по коттеджу или квартире
Проблемы сетей FTTH
Системы пожарно-охранной сигнализации (ПОС), как правило, сертифицированы для подключения по меди. На рынке в настоящее время трудно найти сертифицированные пожарно-охранные комплексы с иным основным подключением к узлу охраны. Это требует разводки медных витых пар по коттеджам или квартирам. А если уже есть медь, то зачем нужна оптика? Почему бы не организовывать ШП-доступ по стандарту VDSL2 (до 70 Мбит/с в нисходящем канале)? Ответ прост – при использовании VDSL2 значительно увеличивается число обслуживаемых узлов оператора, поскольку радиус
действия модемов ограничен 1,5 км. В каждом коттеджном поселке или доме оператору нужно иметь узел доступа. Кроме того, прокладкой только витой пары не обойтись. По витым парам нельзя передавать ВЧ-сигнал аналогового телевидения – необходимо параллельно прокладывать коаксиальный кабель или оптику.
Сегодня на рынке появляются интеллектуальные системы ПОС – составляющие “умного” дома. Такие системы могут не только передавать информацию о срабатывании тех или иных реле и датчиков, но и видеокартину помещений, где сработали датчики (даже передать видеоблоки о 15-минутной предыстории до этого). Оборудование обеспечивает конфиденциальность личной жизни жильцов коттеджа или квартиры.
Надежность таких систем не хуже общепринятых. Они снабжены алгоритмом самотестирования и источником бесперебойного питания (ИБП). Системы требуют передачи потока 1–2 Мбит/с к охранному комплексу. Они более удобны для работы с оптикой, чем с медью, и не допускают установку устройств, симулирующих отсутствие взлома. Использование таких систем позволяет исключить “медь” из кабельной системы доступа и, следовательно, сократить затраты на прокладку кабелей.
Проводная телефония. Во-первых, только стандарты BPON и GPON имеют гарантированную полосу пропускания для TDM трафика телефонии. При этом OLT может играть роль выноса с подключением к АТС по каналам E1 с протоколом V5.2. Для других технологий подключения коттеджей по оптике для телефонии используется протокол VoIP. Это не сказывается на качестве и надежности телефонных линий, но требует тщательного подбора оборудования и его настройки, чтобы исключить влияние других типов трафика. Подключение каналов VoIP к телефонной сети осуществляется или через шлюз, преобразующий VoIP в E1, или через программный коммутатор.
Во-вторых, для требуемой по стандарту надежности телефонной линии необходимо для оборудования, установленного в коттедже, иметь ИБП с 8-часовым ресурсом работы. Установка в России сложного оборудования в доме (а не в шкафу у дома, как, например, в США), приводит к трудностям его обслуживания оператором.
Многочисленность ответвлений.
Фактически, требуется установка отдельного колодца на один-два дома для отвода волокон от внутрипоселковой оптической магистрали. Это увеличивает стоимость кабельной канализации. При отводах в колодцы необходимо укладывать достаточные петли запаса кабеля, так как оптическую муфту можно обслуживать только вне колодца. Как вариант, можно устанавливать около коттеджей небольшие отводные колодцы, а разветвления кабелей осущест влять в колодцах или уличных шкафах, обслуживающих 6–12 коттеджей. Но в этом случае кабельная канализация должна быть рассчитана на укладку нескольких (7–19) кабелей.
Рис.9.26 Разводка кабеля по дому
Рис 9.27 Разводка кабеля в квартире
Эта проблема решается устройством микроканализации с последующей пневмопрокладкой оптических микромодулей. Так, например, при использовании кабелей с 24 микроканалами и отводе четырех кабелей от уличного кроссового шкафа можно подключить до 96 коттеджей на один кросс (уличный шкаф или колодец). В коттедже от кабеля ответвляются не волокна, а микроканалы. Это можно делать и без колодца, укладывая короб ответвления непосредственно в грунт.
Кабельная микроканализация – набор полых трубок диаметром 5 мм, уложенных в кабель (до 24 трубок) диаметром до 45 мм. Кабель может быть уложен непосредственно в грунт, в кабельную канализацию или подвешен на столбах с прикреплением к несущему тросу. Оптические модули диметром 1,5 мм могут содержать до 12 волокон. Отводной кабель диаметром 10 мм (с одной трубкой) укладывается в грунт на территории участка и через отверстия в стене заводится в дом.
