Рисунок 5,4 - Электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ

_{Отношение сигнал /шум определяется фототоком.}

7. _{Противошумовая коррекция ФПУ}

Рисунок 5,5 - Схема противошумового корректора

7. При гомодинном детектировании частота несущей оптического сигнала совпадает с частотой ООГ и на выходе ФПУ выделяется информационный электрический сигнал. При гетеродинном детектировании частота несущей отличается от частоты ООГ. Разность этих частот представляет радиочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом.

8. Модуляция вида NRZ-DPSK(фазовая модуляция) для высокоскоростных систем 10 и 40Гбит/с признана высокоэффективной с точки зрения использования спектра и помехоустойчивости. При этом для построения приёмника необходимо использование двух фотодетекторов и дифференциального усилителя. Оптический сигнал разделяется в интерферометре фазового демодулятора для подачи на фотодетекторы, где в одном из выходов производится задержка передачи на один временной такт.

6. Оптические усилители

1. Оптические усилители основаны на следующих эффектах:

Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.

2. Типы оптических усилителей:

Рисунок 7.1 - Классификация оптических усилителей

3. Полупроводниковые усилители строятся в основном по двум схемам: усилители бегущей волны, в которых эффект оптического усиления наблюдается при распространении входного излучения в инверсной среде активного слоя с просветленными, т.е. не отражающими торцами (рисунок 6.2), и резонансные усилители, в которых эффект усиления и отсутствие лазерной генерации обеспечивается за счет того, что уровень постоянного тока накачки в рабочем режиме выбирается близким, но все-таки ниже порогового значения (рисунок 6.3).

Рисунок 7.2 - Усилитель бегущей волны и его частотная характеристика

Рисунок 7.3 - Усилитель резонансного типа и его частотная характеристика

5. Волоконные усилители на основе рассеяния Рамана

6. Эрбиевый усилитель

7. Характеристики оптических усилителей.

(+ ответ на вопрос 9. – Значение коэффициентов усиления для п/п и оптических усилителей)

Таблица 7.1 Характеристики полупроводниковых усилителей

Таблица 7.2 Характеристики волоконных усилителей

7. Усилители могут использоваться на передаче – бустеры, в тракте – линейные усилители и на приеме – предусилители.

8. В оптических усилителях присутствуют следующие шумы:

- собственные тепловые шумы усилителя;

- шум усиленной спонтанной эмиссии ASE.

10. Преимущества рамановских оптических усилителей:

Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) или рамановское рассеяние может превратить волоконный световод в оптический усилитель с оптической накачкой. Усиление вследствие ВКР зависит от интенсивности (равной мощности накачки P_н, деленной на площадь модовой пятки А), длины взаимодействия L волны накачки и сигнальной волны и коэффициента усиления ВКР g.

В световоде с низкими потерями длина взаимодействия может составить более 1 км, что снижает требования по мощности накачки и коэффициенту усиления.

Величина коэффициента g зависит от присадок к стекловолокну таких, как бор, германий, фосфор.

7. Линейные тракты оптических систем передачи

1. Линейные тракты оптических систем передачи подразделяются на беспроводные (атмосферные) и проводные (волоконно-оптические). 

2. Возможности использования атмосферных оптических линейных трактов ограничены поглощением излучения парами воды, углекислым газом, а также рассеяние мельчайшими частицами (дым, пыль, снег, дождь, туман и т.п.).

3. Варианты построения линейного тракта ВОСП с одноволновой передачей

Рисунок 8.1 - Варианты построения линейного тракта ВОСП с одноволновой передачей

4. Варианты построения линейного тракта с многоволновой передачей

Рисунок 8.2 Варианты построения линейного тракта с многоволновой передачей

5. Транспондер (англ. transponder от transmitter-responder — передатчик-ответчик) - это приёмопередающее устройство, посылающее сигнал в ответ на принятый сигнал.

6. DWDM, Dense WDM – плотное волновое мультиплексирование. етка частот DWDM (Dense WDM) – плотного мультиплексирования с разделением по длине волны определена рекомендацией ITU-T G.694.1, где предусмотрены различные волновые интервалы между оптическими несущими: 12,5 ГГц, 25 ГГц, 50 ГГц, 100 ГГц. 

CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing – грубое (расширенное) волновое мультиплексирование для каналов в различных окнах прозрачности стекловолокна с интервалом между каналами не менее 20 нм. Сетка частот CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), грубое мультиплексирования с разделением по длине волны, определена рекомендацией ITU-T G.694.2, где предусмотрен волновой интервал между оптическими несущими 20 нм и определены длины волн передачи: 1271 нм, 1291 нм, 1311 нм, 1331 нм, 1351 нм, 1371 нм, 1391 нм, 1411 нм, 1431 нм, 1451 нм, 1471 нм, 1491 нм, 1511 нм, 1531 нм, 1551 нм, 1571 нм, 1591 нм, 1611 нм.

7. К линейным сигналам ОСП предъявляются следующие основные требования:

• непрерывная часть энергетического спектра должна содержать минимальную спектральную плотность в низкочастотной области и иметь минимум высокочастотных составляющих;

• линейный сигнал должен содержать информацию о тактовой частоте;

• непрерывная часть спектра должна быть минимальной вблизи тактовой частоты;

• основная доля энергии спектра должна находиться в ограниченной области частот;

• процесс линейного кодирования не должен зависеть от статистики информационного сигнала;

• алгоритм формирования линейного сигнала должен обеспечить надежный контроль ошибок регенерации;

• линейный код не должен приводить к размножению ошибок и т.д.

8.  NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю на тактовом интервале; RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю на тактовом интервале)

9. К линейным кодам класса 1В2В относятся (1 символ на входе кодера, 2 символа на выходе).

BI – L (биимпульсный абсолютный);

BI – М (биимпульсный относительный М);

BI – S (биимпульсный относительный S);

DBI (дифференциальный бифазный);

CMI (с инверсией групп символов);

MCMI (модифицированный CMI)

Линейные коды класса mВnВ, где m ³ 2, а n > m, называют алфавитными или табличными, т.к. при их формировании используются две – три таблицы кодирования, обеспечивающие балансировку числа логических символов "1" и "0".В кодах этого класса последовательность исходного сигнала разбивается на отрезки (блоки), состоящие из m бит, и преобразуется в определенную последовательность (блок) кодовых символов n. Широкое применение получили коды 2В3В, 2В4В, 3В4В, 5В6В, 7В8В.

10. Скремблирование осуществляют с помощью устройства, реализующего логическую операцию суммирования по модулю два исходной двоичной последовательности и преобразующего случайного сигнала, в качестве которого используется псевдослучайная последовательность

Рисунок 8.3 Схема формирования скремблирующей последовательности

11. Коэффициент ошибок обозначается BER, Bit Error Rate и соответствует отношению:

Число неправильно принятых символов/Общее число символов, переданных в единицу времени

К_{ОШ РЕГ} определяется соотношением сигнал/помеха на входе регенератора для заданного импульсного сигнала.

Рисунок 8.4 Нормирование коэффициента ошибок в ОЦК при международном соединении

Учитывая, что при цифровой передаче в ОЦК ошибки суммируются, можно получить условие по допустимой величине коэффициента ошибок на длине линейного тракта в 1 км:

• для магистрального участка К_ОШ м = 10 ^- 7 /10 000 = 10 ^{– 11};

• для внутризонового участка К_ОШ в = 10 ^- 7 /600 = 1,67 10 ^{– 10};

• для местного участка К_ОШ у = 10 ^- 7 /100 = 10 ^{– 9}.

13. Заметное повышение соотношения сигнал/помеха может дать фильтр – корректор (ФК), если он согласован с импульсным сигналом по полосе частот и оптимизирован по межсимвольной помехе. Согласование по полосе частот позволяет сгладить импульсные помехи, т.е. устранить шумы вне основной части полосы сигнала. Оптимизация по межсимвольной помехе позволяет добиться устойчивого выделения тактовой частоты и формирования стробирующих импульсов с минимальными фазовыми дрожаниями. Наилучшие результаты дает ФК косинусного типа 

где Р_S – уровень мощности сигнала передатчика в точке стыка S (дБм), Р_R –уровень мощности сигнала на входе приемника в точке стыка R (дБм), определенный для заданного К_ОШ; Р_D – мощность дисперсионных потерь (дБ); Ме – энергетический запас на старение оборудования (дБ); N – число строительных длин кабеля; l_S – потери энергии на стыках строительных длин (дБ); N_C – число разъемных соединений между точками S и R; l_С – потери энергии на разъемном соединении (дБ); a _С – коэффициент затухания кабеля (дБ/км); a _m – запас на повреждения кабеля (дБ/км).

15. Источники и приемники излучения, мультиплексоры/демультиплексоры, усилители, регенераторы.

16. OSNR – отношение сигнал/шум на выходе линии. Зависит от собственных помех от всех элементов системы передачи.

17. Необходимо производить измерение коэффициента ошибок при проектировании сложных линейных трактов ВОСП-WDM.

18. Для сокращения времени контроля канала без перерыва передачи информации используется метод на основе оценки Q-фактора.

19. Упреждающая коррекция ошибок (FEC) позволяет увеличивать длины участков передачи.

20. Оптический солитон – это импульс, представляющий собой одиночную волну колоколообразной формы, образующийся в оптическом волокне при наличии определенной нелинейной зависимости коэффициента преломления от интенсивности излучения когерентного источника. При этом коэффициент преломления должен возрастать с ростом интенсивности. Тогда высокочастотные составляющие импульса как бы сдвигаются к его хвосту, а низкочастотные составляющие – к его голове, чем подавляется действие хроматической и поляризационной дисперсии. Такой импульс может сохранять форму и ширину по всей длине волоконной линии

21. В достаточно длинных волоконных световодах могут проявляться нелинейные оптические эффекты:

• вынужденное рамановское (комбинационное) рассеяние (ВКР);

• вынужденное рассеяние Мандельштама – Брюллиэна (ВМБР);

• фазовая самомодуляция (самофокусировка); четырехфотонное или четырехволновое смешивание.

Необходимо отметить, что нелинейные эффекты в стекловолокне играют не только негативную роль, т.е. ограничивают дальность скорость передачи, но и позволяют в режиме ВРМБ выделять и вводить оптические каналы, а в режиме ВКР – реализовывать усиление оптических сигналов. Особую роль может играть явление ФСМ для формирования и передачи оптических солитонов.

Уникальность солитона состоит в том, что дисперсия групповой скорости, которая определяется длительностью оптического импульса, полностью уравновешивается нелинейным изменением показателя преломления (D n (Е 2)).

Достаточно точное описание условий существования оптических солитонов получено при решении уравнения Шредингера 

22. Солитоны могут распространяться в стекловолокне на значительные расстояния (тысячи километров) практически без искажения формы импульса и сохраняться при столкновении друг с другом. Для поддержки энергии солитон должен получить внешнюю подпитку от источника накачки. Только в этом случае солитон сохраняется. 

23. Распространение мощных когерентных импульсов света в резонансно-поглощающихсредах ( Самоиндуцированная прозрачность ) также сопровождаетсясолитонными эффектами. Если длительность импульса _t0существенноменьше времён релаксации населённостей _T1 изатуханиясвободной поляризации Т ₂, то в результате поглощения в течение1-й половины импульса и последующего усиления в течение 2-й половины импульсаформируется стационарный волновой пакет, проникающий в среду на расстояние, <существенно превышающее длину линейного поглощения

• Для передачи информации используются солитонные импульсы RZ формата. С целью обеспечения разделения импульсов начальная длительность Т₀ и время передачи одного бита Т_В =1/В (В - битовая скорость) должны соответствовать условию  .

  В качестве передающей среды используются ОВ с низкими потерями мощности. Благодаря малым потерям солитоны могут распространяться на большие расстояния без применения специальных устройств компенсации потерь (рисунок 10.3).

  Рисунок 10.1 Построение простой солитонной ВОСП

• Формирование оптического солитона

• На выходе солитонного лазера генерируется непрерывная последовательность солитонов с заданной скважностью (обычно Q=T_С/t ³ 10). Последовательность солитонов проходит через изолятор и модулятор (например, ЭОМ), в котором импульсная последовательность модулируется. На выходе линии сигналы регистрируются фотоприемным устройством (ФПУ).

• Солитоны в процессе распространения меняют свою форму, распадаясь на группы импульсов и затем снова собираясь. Эта сложная динамика определяется многими факторами: фазовой самомодуляцией, дисперсией групповых скоростей, мощностью и длительностью импульсов и т. д.

• Скорости передачи в солитонных СП

Таблица 10.1 Характеристики экспериментальных солитонных ВОСП

30.Фотонный кристалл — это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях. В другой работе встречается расширенное определение фотонных кристаллов — «фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света». 

31. Первое применение фотонного кристалла — создание световедущих каналов. Современные световедущие каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-занедопустимого увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них. Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием „запрещённой зоны“ для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.

Второе применение — это спектральное разделение каналов. Во многих случаях по оптическому волокну идёт не один, а несколько световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать — направить каждый по отдельному пути. Например — оптический телефонный кабель, по которому идёт одновременно несколько разговоров на разных длинах волн. Фотонный кристалл — идеальное средство для „высечения“ из потока нужной длины волны и направления её туда, куда требуется.

Третье — кросс для световых потоков. Такое устройство, предохраняющее от взаимного воздействия световых каналов при их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового компьютера и световых компьютерных чипов.

32. Нанофотоника – раздел фотоники, относящийся к  изучению физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и к практическому применению указанных явлений (Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов). Выделяют следующие перспективные материалы нанофотоники: полупроводниковые квантово-размерные материалы, включая материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками, фотонные кристаллы, фотонно-кристаллические пленки и волокна. Технологии нанофотоники проникают в растущие рынки светодиодов, органических светодиодов, оптики ближнего поля, солнечных элементов.

33. Нанофотонный лавинный фотодиод способен получать информационные сигналы со скоростью 40 Гбит/с (40 млрд бит в секунду) и одновременно десятикратно их усиливать. Более того, устройство работает при напряжении питания всего 1,5 В, что в 20 раз меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее.