Тема 1.3.3 Принцип передачи информации по оптическим волокнам

В основе функционирования оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующими медные кабели или радиоэфир в качестве среды передачи.

Такая полоса дает возможность передавать потоки информации в несколько терабит в секунду. Важными преимуществами ВОЛС являются такие факторы, как малое затухание сигналов, позволяющее, при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляции, высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью оптического волокна к электромагнитным помехам, и многие другие.

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих различные оптические и механические свойства. Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть стекловолокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины. Более подробно конструкции волокон различных типов и их основные конструктивные характеристики показаны ниже.

Для передачи свет (точнее, инфракрасное излучение) вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна a0 называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

NA= sina0 = vn12 – n22

Из приведенной формулы следует, что числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n1 и n2. При этом всегда выполняется условие: n1 > n2 (рисунок 80).

Рисунок 80- Распространение света в оптическом волокне

Если угол падения света a больше, чем a0, то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна. Если угол a меньше чем a0, то происходит отражение от границы материалов сердечника и оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рисунок 81).

Рисунок 81-Условия распространения света в оптическом волокне

Скорость распространения света в оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как:

V = c/n

где с– скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердечника.

Типичные значения коэффициента преломления материала сердечника лежат в пределах от 1,45 до 1,55.

Для того чтобы передавать сигналы по оптическим волноводам, необходимо иметь источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели наиболее подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн, В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть доказано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Говорят, что возникает конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называются модами(собственными волнами). Для описания процессов распространения света в оптических волокнах существуют несколько параметров, которые необходимо учитывать.

Источники оптического излучения

Формирование цифрового сигнала для передачи информации и его обратное преобразование при приеме осуществляются в стандартном оконечном оборудовании цифровой системы передачи каналогруппо образования. Сформированный на передающей станции сигнал передается на приемную станцию в виде световой энергии через оборудование волоконно-оптического линейного тракта.

Преобразование электрических сигналов в оптические происходит в оптическом передающем устройстве. Основным его элементом является источник оптического излучения.

Оптическое передающее устройство является одним из важнейших элементов, обеспечивающих качественные показатели цифровой волоконнооптической системы передачи. Оно предназначено для преобразования электрических импульсов в оптические и состоит из источника излучения, схемы управления и узла оптического сопряжения.

Источник излучения, используемый в оптической системе передачи, должен удовлетворять ряду требований:

• иметь излучение на волне длиной, соответствующей минимуму затухания оптического волокна;

• эффективно преобразовывать электрический сигнал в оптический;

• иметь малый собственный шум, достаточно малую ширину спектра излучения, большой срок службы и высокую надежность;

• обеспечивать требуемые высокие линейность и скорость модуляции.

В наибольшей степени таким требованиям удовлетворяют источники излучения, построенные на основе светоизлучающих диодов и инжекционных лазерных диодов.

Как светоизлучающие, так и лазерные диоды состоят из несколь­ких слоев полупроводниковых материалов, обладающих различными свойствами и образующих п-р переходы. Генерация излучения в таких структурах обусловлена рекомбинацией (перемещением) электронов и дырок под воздействием напряжения, приложенного к п-р переходу и смещающего его в прямом направлении. В результате этого в так называемой активной зоне, расположенной возле п-р перехода, образуются фотоны, распространяющиеся в различных направлениях. С помощью специальной конструкции можно упорядочить движение фотонов и обеспечить вывод из прибора большей части генерируемого излучения.

Основными материалами, из которых изготавливаются светоизлу­чающие и лазерные диоды, служат арсениды и фосфиды галия, индия и алюминия. Как светоизлучающие, так и лазерные диоды, построенные на основе арсенида галия с добавлением алюминия (Ga Al As), излучают волну длиной 0,8-0,9 мкм. Устройства на основе арсенида фосфида индия галия (In Ga As Р) могут излучать волны в диапазо­не 1,0-1,6 мкм.

Светоизлучающие диоды, предназначенные для оптических систем передачи, имеют конструкцию, обеспечивающую вывод и распространение генерируемого излучения перпендикулярно плоскости п-р перехода, расположенного между слоями полупроводников с проводимостью различного типа. Важным при этом является эффективность ввода излучения светоизлучающих диодов в оптическое волокно. Ее можно увеличить сферической линзой, рисунок 82.

Рисунок 82 -Структурная схема светоизлучающего диода

Существуют светоизлучающие диоды, конструкция которых обес­печивает вывод генерируемого излучения параллельно поверхности

п-р перехода, то есть через боковую грань устройства. Это позволяет уменьшить площадь излучающей поверхности, повысить эффективность ввода генерируемого излучения в оптическое волокно. Такая конструкция хорошо приспособлена для работы с линзовым согласующим устройством. Однако в светоизлучающих диодах с торцевым излучением труднее осуществить теплоотдачу, чем в светоизлучающих диодах о поверхностным излучением.

Одной из важнейших характеристик светоизлучающих диодов является ватг-амперная характеристика (рисунок 83), отражающая зависимость излучаемой мощности (Р) от тока смещения (инжекции)(I). Из рисунка 83 видно, что светоизлучающие диоды имеют хорошую линейную зависимость выходной мощности при изменении тока смещения в диапазоне 50-400 мА. Повышение температуры приводит к уменьшению излучаемой мощности светоизлучающих диодов. При этом для приборов на основе In Ga As Р, излучающих волну длиной 1,3 мкм, эта зависимость проявляется сильнее, чем для приборов на основе Ga А1 As, излучающих волну длиной 0,85 мкм.

Рисунок 83 - Ватт-амперная характеристика светоизлучающих диодов при температуре: 1 — 20°С; 2 — 40°С

Другая важная характеристика светоизлучащих диодов — ширина спектра излучения (рисунок 84). Как следует из рисунка 84 ширина спектра излучения светоизлучащих диодов на длинах волн 0,85 и 1,3 мкм относительно велика и составляет 40-90 нм, что снижает эффективность ввода световой энергии в волокно.

Инжекционные лазерные диоды, используемые в оптических системах

a — при длине волны 0,85 мкм; б — при длине волны 1,3 мкм

Рисунок 84 - Ширина спектра излучения светоизлучающих диодов

передачи, по устройству подобны светоизлучающим диодам с торцевым излучением.

Для создания эффекта лазерного (стимулированного) излучения необходимо:

- обеспечение достаточного усиления потока фотонов, образующихся в активной области полупроводникового лазера;

- создание резонансной структуры для поддержания вынужденного (стимулированного) излучения.

Первое условие выполняется благодаря соответствующему выбору тока смещения, а второе — ограничению активной зоны полупроводникового лазера полупрозрачными гранями, получающимися при сколе кристалла.

На рисунке 85 приведена типичная ватт-амперная характеристика лазерного диода. На ней выделяются три участка. При малом токе смещения (участок а) лазерный диод подобен светоизлучающему диоду и характеризуется спонтанным излучением. При токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристики (участок в), возрастает доля индуцированного излучения, что соответствует режиму суперлюминесценции. При больших токах смещения (участок с) лазерный диод переходит в режим стимулированного излучения или генерации.

а — при малом токе смещения; б — при токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристик; с — при больших токах смещения

Рисунок 85- Ватт-амперная характеристика лазерного диода

Спектральные характеристики излучения лазерных диодов при различных токах смещения, соответствующие указанным трем режимам (участки а, в, с), приведены на рисунке 86. Спектр излучения лазерного диода в режиме генерации (участок с) характеризуется наличием нескольких пиков спектральной плотности (так называемых мод).

а

б

в

a — при малом токе смещения; б — при токе смещения, соответствующем переходной области ватт-амперной характеристики; в— при больших токах смещения

Рисунок 86 - Спектральная характеристика излучения лазерных диодов при различных токах смещения, соответствующих трем режимам их ватт- амперной характеристики

Число и относительные значения мод, излучаемых лазерными диодами, зависят от конструкции и размеров резонатора, образованного в полупроводниковом лазере.

В настоящее время используются лазерные диоды, генерирующие несколько мод с шириной спектральной линии порядка 0,2 ВК, и одномодовые лазерные диоды, генерирующие спектральную линию шириной порядка 0,1 нм.

Мощность излучения, генерируемого лазерным диодом, в значи­тельной степени зависит от его температуры. Так, при повышении температуры лазерного диода от 20 до 40°С при постоянном токе смещения, превышающем пороговый ток, излучаемая им мощность снижается на 25%. Если ток смещения лазерного диода выбран близким к пороговому, то увеличение температуры приводит к режиму спонтанного излучения, характеризуемому малой мощностью и широким спектром излучения.

Для обеспечения надежной работы источника излучения необходимо стабилизировать его режим (ток смещения и температуру). С этой целью к излучателю подключается схема автоматического регулирования тока смещения, а температурный режим стабилизируется микрохолодильным устройством.

Важными показателями пригодности источников излучения раз­личных типов для использования в оптических системах передачи являются их модуляционные характеристики. Как светоизлучающие, так и лазерные диоды могут модулироваться путем изменения питающего электрического тока (прямая модуляция). Достижимые частоты прямой модуляции составляют от 20 МГц до 1 ГГц (для светоизлучающих диодов различных типов) и от 5 до 10 ГГц (для наиболее быстродействующих лазерных диодов).

Для волоконно-оптических систем передачи в качестве источников излучения чаще используются инжекционные лазерные диоды. Они имеют ряд преимуществ перед светоизлучающими диодами по ряду параметров (излучаемой мощности, быстродействию и др.).

В условиях эксплуатации весьма важной задачей является обеспечение максимально возможного срока службы источников излучения. Это связано с тем, что светоизлучающим и лазерным диодам присуще явление деградации.

У современных СИД средний срок службы составляет 106 часов при температуре 25°С и зависит от режима работы: непрерывный при высокой температуре и/или электрические перегрузки. Увеличение температуры и перегрузки сокращают срок их службы в среднем в 1,5 раза.

Средний срок службы лазерных диодов на порядок меньше, чем у СИД.

При этом деградационные процессы в лазерных диодах протекают значительно быстрее, чем в светоизлучающих диодах. Скорость протекания процессов деградации в лазерном диоде зависит непосредственно от режимов его работы. С увеличением наработки лазерных приходится увеличивать ток смещения, что в свою очередь, приводит к еще большему ускорению деградационных процессов.

На рисунке 87 показана температурная зависимость срока службы лазерного диода. Можно видеть, что время его работы уменьшается на порядок при увеличении температуры на 40°С.

Деградационные процессы в лазерных диодах протекают быстрее при электрических перегрузках — скачках и импульсах тока. Механизм повреждения при кратковременных скачках тока обычно заключается в мгновенном перегреве поверхности лазера. Поэтому задача обеспечения оптимального режима работы источника излучения является чрезвычайно важной.

Рисунок 87 - Срок службы лазерного диода в зависимости от температуры

Приемники оптического излучения

Фотоприемное устройство волоконно-оптической системы передачи предназначено для преобразования оптических сигналов в электрические. Оно должно обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне волн, малой инверсностью, низким уровнем шума и др. Чувствительность фотоприемного устройства должна быть достаточной для обеспечения требуемой длины регенерационного участка оптической системы передачи. Кроме этого, фотоприемное устройство должно поддерживать отношение сигнал-шум на выходе не менее заданного значения в пределах допустимых изменений температуры и в требуемом динамическом диапазоне принимаемых сигналов.

Таким требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.

В волоконно-оптических системах передачи нашли применение фотоприемные устройства на основе так называемых p-i-n фотодиодов и лавинных фотодиодов, в которых используется внутренний фотоэффект.

Работа фотодиодов основана на использовании р-п перехода между полупроводникамир и «-типа, способного поглощать детектируемое излучение. При попадании светового излучения на р-п переход большая часть поглощенной энергии идет на образование пар электрон-дырка.

Эти носители, образованные в обедненном слое между полупро­водниками с р и «-проводимостью, немедленно переносятся через р-п переход электрическим полем. Скорость их перемещения в обедненном слое определяет фототок фотодиода. Поскольку обедненный слой существует в полупроводниковом материале на небольшой глубине, то фототок определяет сравнительно небольшое количество пар электрон-дырка. Спектральная чувствительность такого приемника к оптическому излучению оказывается низкой.

Повышение чувствительности может быть достигнуто различными методами.

Так, для увеличения глубины обедненного слоя между р и n полупроводниками помещается слой нелегированного полупроводника, область собственной проводимости), что приводит к увеличению образующихся при оптическом излучении пар электрон- дырка и фототоку. Такой фотодиод называется p-i-n фотодиодом и обладает более высокой чувствительностью.

Чувствительность фотодиодов повышается, если использовать эффект умножения, возникающий в диодах с очень высоким напряжением смещения, близким к напряжению пробоя. При этом в запирающем слое фотодиодов образуются настолько высокие напряжения поля, что электрические носители заряда, получаемые при падении света, сами вырабатывают новые пары носителей заряда в результате ударной ионизации. Таким образом, каждый фотон высвобождает множество электрических пар носителей заряда. На этом эффекте основаны лавинные фотодиоды. Чувствительность лавинного фотодиода растет с увеличением коэффициента умножения, но в такой же пропорции уменьшается его быстродействие. Так как коэффициент умножения в значительной степени зависит от напряжения смещения, его необходимо стабилизировать. Поэтому на коротких линиях связи и при малых скоростях передачи предпочтение отдается p-i-n фотодиодам. Для изготовления фотодиодов используются кремний, германий и различные компонентные соединения типа InP, InGaAs, InGaAsP, обладающие различными значениями коэффициента поглощения оп тического излучения. Кремниевые фотодиоды используются в диапазоне длин волн до 1,0 мкм. Германиевые фотодиоды и фотодиоды на основе сплавов InGaAs, InGaAsP, используются в диапазоне длин волн 1,3...1,6 мкм.

В ВОСП под чувствительностью приемника обычно понимается минимальная мощность входного оптического сигнала, при которой обеспечивается коэффициент ошибки равный Г1010. Эта мощность зависит только от двух параметров — квантовой эффективности и уровня шумов, которые в свою очередь зависят от типа фотодиода и усилителя, являющихся основными элементами приемника. Поскольку в современных фотодиодах квантовая эффективность близка к теоретическому пределу, то именно уровень шумов определяет чувствительность приемника до 40 дБм..

При использовании лавинного фотодиода с коэффициентом усиле­ния М за счет процесса лавинного умножения коэффициент шума , где = 0,2... 1,0. Существуют значения коэффициента умножения М, при которых обеспечивается оптимальный прием оптического сигнала — дробовой шум фотодиода в этом случае превышает теп­ловой шум усилителя. Значение оптимального коэффициента умноже­ния в различных лавинных фотодиодах колеблется от 15 до 70, при этом их коэффициент шума находится в диапазоне 3...15 дБ.

В таких приемниках ограничивающим фактором является дробовой шум лавинного фотодиода, энергетическая плотность которого на 3 порядка меньше энергетической плотности теплового шума усилителя. Этим достигается улучшение чувствительности приемников на основе лавинных фотодиодов: до 50 дБм.

Характер связи между фотодиодом и усилителем влияет на искажения сигнала в приемнике, на чувствительность, динамический диапазон, и, как следствие, на тип кода линейного сигнала цифровых ВОСП. По этому признаку оптические приемники разделяются на приемники со связью по постоянному и со связью по переменному току.

Приемники со связью по постоянному току реагируют на сигналы в любом коде ВОСП от постоянного тока до сигналов с некоторой частотой, определяемой верхней частотой его полосы пропускания. Отсутствие переходных конденсаторов между фотодиодом и усилителем повышает быстродействие приемника. Недостатком приемников этого типа являются искажения длительности импульсов из-за применения компараторов, что ограничивает скорость передачи и динамический диапазон принимаемого сигнала в цифровых ВОСП.

В приемнике со связью по переменному току в цепи между фотодиодом и усилителем устанавливается конденсатор, который с нагрузочным сопротивлением образуют RС-цепь. Такая цепь является переходной и позволяет отделить постоянную составляющую при усилении или преобразовании сигналов, если постоянная времени Т = RC больше или равна длительности импульсных сигналов (t) ВОСП.

В таких приемниках из-за низкочастотного среза спектра сигнала ВОСП возникают длинные хвосты импульсов вне рабочего такта и наползание их на соседние импульсы (межсимвольная помеха), что приводит к искажению импульсов и необходимости снижения скорости передачи.

Таким образом, приемник со связью по переменному току при Т налагает определенные требования к коду линейного сигнала и режиму передачи данных. Более гибким является приемник, у которого Т приемник со связью по фронтам сигнала. Цепью связи в таком приемнике пропускаются только фронты импульсов, происходит операция дифференцирования. Дифференцирование влияет на отношение сигнал/шум, ухудшая его.

Приемник со связью по фронтам сигнала не накладывает каких- либо ограничений на формат передаваемых данных, длину последовательностей «1» или «О», не требует заполнения пауз, но платой за эти преимущества является снижение чувствительности приема на 8,2 ДБ.

Чувствительность приемника любого типа зависит также от схемы усилителя и применяемой в нем элементной базы.

Шум на выходе приемника будет минимальным, если входное сопротивление предварительных каскадов усилителя будет выбрано большим. При этом происходит ограничение динамического диапазона.

В приемниках ВОСП используются две схемы усилителей: высокоимпедансная и трансимпедансная. Самым низким уровнем шумов обладают приемники с высоким входным импедансом, обеспечиваемым усилителем на полевых транзисторах. Однако в таких усилителях трудно избежать перенасыщения при больших уровнях сигнала. Этого недостатка лишены трансимпедансные усилители — усилители с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедансом, охваченным обратной связью, что обеспечивает низкий уровень шумов при широком динамическом диапазоне.

Пассивные оптические элементы

Качество связи и эксплуатационные расходы любой ВОСП во многом определяются ее пассивными оптическими элементами.

К ним относятся: аттенюаторы (ослабители); оптические изоляторы; оптические разветвители и разъемные соединители.

Наибольшее преимущество пассивных оптических элементов про­является в полностью оптических сетях, в которых главную роль при коммутации, мультиплексировании, ретрансляции сигналов играют чисто оптические технологии. Такие сети способны обеспечить гигантскую полосу пропускания для реализации существующих и перспективных сетевых технологий на основе лазеров с перестраиваемой длиной волны, оптических волновых мультиплексоров, широкополосных оптических усилителей и коммутаторов.

Аттенюаторы применяются в ВОСП для уменьшения оптической мощности, падающей на фотодетектор, во избежание насыщения приемника и сокращения срока его службы, а также для уравновешивания уровней оптической мощности в пассивных волоконно-оптических сетях. Они устанавливаются как на передающей, так и на приемной стороне оборудования ВОСП.

Существуют постоянные и переменные аттенюаторы. Последние применяются, как правило, в течение срока службы ВОСП для пери­одической подстройки передаваемой, а чаще принимаемой оптической мощности.

По принципу действия различают аттенюаторы с контактирующими и не контактирующими волокнами.

На оптические характеристики аттенюаторов влияют: диапазон за­тухания, рабочая длина волны, затухание мощности обратного рассеяния, спектральная чувствительность, чувствительность к поляризации, повторяемость затухания переменных аттенюаторов, тип оптического волокна (одномодовое, многомодовое). В таблице 17 приведены основные характеристики аттенюаторов.

Таблица 17

Наименование характеристики	Численное значение
Диапазон затуханий	5...20 дБ
Максимальное отклонение от номинального значения затухания	От ±1 до ±2 дБ
Диапазон рабочих частот	От 1270 до 1600 нм
Потери обратнорассеянной мощности	От 20 до 50 дБ
Спектральная чувствительность	Большая
Чувствительность к поляризации	Слабая или отсутствует (< 0,5 дБ)
Повторяемость	± 2 дБ

В ВОСП используются аттенюаторы-шнуры, аттенюаторы-розетки, ат­тенюаторы FM-розетки. Аттенюаторы-шнуры оконцовываются с обеих сторон стандартными соединителями (ST, SC, FC). Затухание в шнуре обеспечивается благодаря специальному волокну.