1. Общие принципы построения волоконно-оптических систем передачи

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования используются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости до 40 Гбит/с.

Эти возможности не являются предельными: спектральное уплотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует примерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн КТЧ или ОЦК.

Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими переменными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала определяются соотношением

,

где  длина волны оптического излучения в среде распространения;  частота сигнала; с  скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически прозрачный материал, в свою очередь, связана с его показателем преломления следующим образом:

,

здесь  скорость света, равная 300 000 000 м/с; n  показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала изменяется с изменением показателя преломления среды

,

где  называется длиной волны в свободном пространстве, т.е. длиной волны, которая будет измерена в вакууме.

Очень часто особое значение приобретает разница между длинами волн или разница частот. Важно знать, как можно преобразовать эти две переменные, как они между собой связаны:

или

.

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необходимость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие.

2.Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства:

1. Каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи.

2. Оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для сопряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика.

3. Оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ)  оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ).

4. Оптический кабель, волокна которого служат средой распространения оптического излучения.

5. Оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождении по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; в ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенерация и т.д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей.

6. Оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптического излучения и преобразования его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ).

7. Оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразующее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО.

8. Каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис. 1

Рисунок 1 – Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: а  тракт передачи; б  тракт приема

Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (AM), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде

,

где  амплитуда поля; и соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности оптического излучения

,

а усредненное значение по периоду

.

Величина называется средней интенсивностью или мощностью оптического излучения.

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина изменяется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.

Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов  фотонов с энергией , где постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью потока фотонов (числом в единицу времени), которая и модулируется многоканальным сигналом.

Отметим, что МИ нашла самое широкое применение при построении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования оптического сигнала в электрический, т.е. демодуляции.