литература / Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

вующей длины волны и поляризации.

Оптическое излучение, поступающее на Вход электрооптического амплитудного модулятора, преобразуется в поляризаторе П в линейно поляризованный свет. В отсутствии управляющего (модулирующего) электрического поля ячейка Я прозрачна для светового луча на выходе поляризатора П, который полностью гасится анализатором А, так как последний расположен под углом 90° к поляризованному входному излучению. При подключении электрического поля (управляющего или модулирующего электрического сигнала) линейно поляризованная световая волна в ячейке Я распадается на две, поляризованные вдоль поля (необыкновенная волна) и перпендикулярно полю (обыкновенная) волны. Это явление называется двойным лучепреломлением. Обыкновенная и необыкновенная волны имеют в ячейке различные скорости распространения, вследствие чего выходящий из кристалла свет оказывается эллиптически поляризованным и частично проходит через анализатор А. При увеличении напряжения осуществляется преобразование состояния поляризации входного луча до такого состояния, когда анализатор становится полностью прозрачным для входного луча и излучение поступает на Выход модулятора. Изменяя уровень приложенного к ячейке Я напряжения, можно управлять интенсивностью выходного оптического излучения. Таким образом, напряжение, приложенное к ячейке, определяет уровень мощности оптического сигнала на выходе модулятора, а его изменение приводит к модуляции световой волны.

+

Рис. 12. Электрооптический амплитудный модулятор

Ячейки Керра и Поккельса обладают малой инерционностью, что позволяет осуществлять модуляцию оптической несущей до частот порядка 1013 Г ц. При этом глубина модуляции может достигать значений более 99,9 %. В случае применения ячеек Поккельса из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики. Из-за квадратичности эффекта Керра происходит удвоение частоты и возникновение постоянной составляющей.

Входной сигнал, проходя через поляризатор П, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую.

Перемагничивание, производимое переменным полем модуляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соответствующее изменение плоскости поляризации проходящего через ЯФ света, поступающего с выхода поляризатора П.

Проходя через скрещенный с поляризатором П анализатор А, оптическое излучение становится модулированным по амплитуде.

Эффект Фарадея ярко выражается в редкоземельных гранатах типа ЯзРе5012, обладающих высоким удельным магнитным вращением плоскости поляризации. Здесь И - редкоземельные элементы: гольмий - Но, диспрозий - Оу, вс1 - гадолиний, ТЬ - тербий, У - иттрий. Широкое применение получили железо-иттериевый гранат У3Ре5012 и железо-тербиевый гранат и легированные алюминием или висмутом их соединения, например, У3Ре5.хА1х012и ли ТЬ3.хВ1хРе5012.

Важной особенностью магнитооптических модуляторов является постоянство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации света в инфракрасном диапазоне длин волн (1...5 мкм). Это обстоятельство повышает конкурентоспособность таких модуляторов при построении волоконно-оптических систем передачи, работающих во втором и третьем окнах прозрачности оптического волокна.

Отметим, что в отличие от электрооптического эффекта, который является взаимным, эффект Фарадея является невзаимным, поэтому он может быть использован при создании различных невзаимных оптических устройств: оптических изоляторов, развязывающих устройств, пропускающих свет только в одном направлении.

Модуляция оптической несущей может быть осуществлена с помощью акустооптических модуляторов, принцип действия которых основан на

явлении дифракции света на ультразвуке, приводящего к изменению показателя преломления ряда оптически прозрачных материалов. Такими материалами, нашедшими широкое применение в технике оптических систем передачи, являются кристаллы диоксида теллура - Те02, ниобата лития - 1Л\1ЬОэ и молибдата свинца - РЬМо04.

При распространении света в среде, где присутствуют акустические (ультразвуковые) упругие волны, происходит дифракция света. Упругие волны представляют возмущения, распространяющиеся в твердых (жидких и газообразных) средах. При распространении ультразвуковых (упругих - акустических) волн в среде возникают механические деформации сжатия (под давлением акустического поля), которые переносятся из одной точки

среде, если световой луч падает на звуковой пучок под углом Брэгга 0Б = агсвт(2/1/Л). Изменение структуры кристалла приводит к появлению

дифракционной решетки. В этом случае отклонение света происходит только в 1-й порядок дифракции: в +1-й для света, падающего в сторону, противоположную распространению звука, или - 1-й, если свет падает в сторону распространения звука. Падающая под углом Брэгга к дифракционной решетке, порожденной воздействием акустических упругих волн гиперзвука, световая волна частично отражается от нее и интерференция отраженных лучей определяет интенсивность дифрагированного света. Она максимальна, если разность оптического хода световых волн, отраженных от соседних максимумов дифракции кристалла, (см. рис. 14), равна Л. Таким образом, описанный эффект можно использовать в качестве оптического модулятора интенсивности оптического излучения. Для фиксированной Л существует предельная звуковая частота ^макс = 2 V !Л {у - скорость звука), выше которой брэгговская дифракция невозможна.

Обобщенная схема акустооптического модулятора на основе брэгговской дифракции представлена на рис. 15, где приняты следующие обозначения: и - длина пути взаимодействия оптического излучения и акустической волны в кристалле; вБ - угол Брэгга; Л1, Л2 и Д - линзы и диафрагмы в модуляторе предназначены для выделения необходимого дифракционного максимума.

Акустическая волна тут Пьезоизлучатель

акустических волн

Управляющий или модулирующий сигнал

Рис.15. Акустооптический амплитудный модулятор

Пьезоизлучатель акустических волн предназначен для формирования упругих волн с заданными параметрами, а поглотитель акустических волн служит для образования бегущей ультразвуковой волны, на которой и происходит дифракция света.

Принцип действия акустооптического модулятора заключается в следующем: под воздействием управляющего или модулирующего сигнала изменяются параметры пьезоизлучателя акустических волн и, следовательно, изменяются параметры брэгговской дифракционной решетки, образованной бегущей ультразвуковой волной.

При прохождении световой волны по кристаллу происходит изменение ее амплитуды или интенсивности. Отметим, что имеет место только первый порядок дифракции, определяемый соотношениями между длиной волны входного оптического излучения Л, значением I и длиной акустической волны Л.

В результате акустооптического взаимодействия частота оптического излучения смещается на величину, равную акустической частоте Ъ = ^ ± /м - частота модулирующего или управляющего сигнала и /дС - частота генератора акустической волны - пьезоизлучателя, что связано с перемещениями дифракционной решетки. При этом, если луч направлен против направления акустической волны, выходная частота выше входной, в противном случае - наоборот. Это явление может быть использовано для гетеродинного приема при частотной, фазовой и амплитудной модуляции оптической несущей.

Внутренняя модуляция оптической несущей осуществляется путем изменения физических параметров источника оптического излучения, например, изменением длины резонатора полупроводникового лазерного диода, изменением параметров распределенной обратной связи (РОС) или распределенного брэгговского отражения (РБО).

Изменение оптической длины резонатора лазера приводит к изменению частоты излучения. С этой целью одно из зеркал лазера закрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора / синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект может быть достигнут путем изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор. Для этого внутрь резонатора помещают электрооптический кристалл.

Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также путем наложения на его активный слой магнитного или электрического поля, под действием которого происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, генерирующих когерентное излучения.

Под воздействием магнитного или электрического поля происходит изменение усиления активного слоя лазера и, следовательно, можно реализовать амплитудную модуляцию или модуляцию по интенсивности оптической несущей.

Одним из методов управления когерентным излучением с целью осуществления модуляции является изменение величины обратной связи лазера, т.е. коэффициента отражения зеркал резонатора.

С этой целью используют резонатор, одно из зеркал которого вращается с большой скоростью, и поэтому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени, т.е. имеет место импульсная модуляция.

Изменение величины обратной связи можно получить путем замены одного из зеркал лазера на интерферометр Фабри-Перо. Коэффициент отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, меняя которое, можно модулировать интенсивность излучения и получать значительные по амплитуде импульсы.

'Излучение лазеров можно модулировать, изменяя добротность оптических резонаторов, которая равна

О - 2я"—Ц-,

ал

здесь I - длина резонатора; а - коэффициент потерь на поглощение за одно прохождение волны в резонаторе; Л - длина волны оптического излучения. Изменением потерь а, величина которых управляется модулирующим сигналом, а также изменением длины резонатора /, методами указанными выше, можно изменять частоту и интенсивность излучения лазера. Для этого используют электрооптические или акустооптические модуляторы, а также введение в резонатор элементов, прозрачность которых изменяется под действием оптического излучения. Такой вид модуляции называется автомодуляцией и широко используется для генерирования импульсов когерентного излучения нано- и пикосекундного диапазонов.

Качество работы оптических модуляторов определяется такими параметрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуляционной характеристики, под которой понимается зависимость выходной мощности оптического излучения от управляющего напряжения, динамический диапазон, глубина модуляции, потери света, широкополосность или

быстродействие, экономичность в потреблении энергии.

Метод модуляции оптической несущей выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требований, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности модулирующего сигнала, коэффициента (глубины) модуляции, импульсному или непрерывному режиму работы.

По совокупности параметров качества, вида информации и требований к параметрам модулированного оптического сигнала электрооптические

модуляторы получили самое широкое применение в технике волоконнооптических систем передачи.

Виды модуляции оптической несущей. В оптическом диапазоне широко используются аналоговая, импульсная и цифровая модуляции: им- пульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и их разновидности.

При аналоговой модуляции непрерывному изменению амплитуды информационного сигнала соответствует плавное изменение амплитуды (интенсивности) частоты, фазы оптической несущей частоты (аналоговые амплитудная модуляция - АМ, модуляция интенсивности МИ, частотная модуляция - ЧМ, фазовая модуляция - ФМ). Аналоговая поляризационная модуляция (аналоговая ПМ) может быть двух видов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол вектора поляризации линейно поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при круговой ПМ отношение интенсивностей оптической несущей правого и левого круговых поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала.

При импульсной модуляции амплитуда, интенсивность, длительность - ширина, частота, фаза оптических импульсов изменяются пропорционально амплитуде информационного сигнала (амплитудно-импульсная модуляция - АИМ, импульсная модуляция интенсивности - ИМИ, широтно-импульсная

Применение ШИМ в ВОСП оказывается нецелесообразным, поскольку при этом виде модуляции сравнительно неэффективно используется выходная мощность источника оптического излучения и, кроме того, ниже помехоустойчивость по сравнению с другими видами импульсной модуляции. При ФИМ, ЧИМ и ИМИ для передачи информации используются относительно короткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффективно использовать выходную мощность оптического излучения.

Под цифровой модуляцией в самом общем случае понимается передача двоичной последовательности импульсов одинаковой амплитуды, длительности и фазы методами ИКМ или ДМ. Однако при этом различают такие виды цифровой модуляции, как ИКМ-АМ (ИКМ-МИ), когда передаче «единицы» или «нуля» информационной последовательности импульсов соответствует максимальная или минимальная, соответственно, интенсивность (амплитуда) оптической несущей; при ИКМ - ЧМ «единице» информационной последовательности соответствует одно значение частоты оптической несущей, а «нулю» - другое значение. При ИКМ - ФМ фаза оптической

несущей манипулируется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или л радиан в соответствии с «единицей» или «нулем» исходной информационной последовательности. Импульсно-кодовую поляризационную модуляцию (манипуляцию) И - КМ - ПМ можно осуществить в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярноортогональном. В первом случае «единица» и «нули» исходной информационной последовательности различаются линейными ортогональными поляризациями оптического излучения (например, вертикальная поляризация соответствует единице, горизонтальная - нулю). Во втором случае «единице» соответствует правая круговая поляризация, а «нулю» - левая.

В настоящее время в технике волоконно-оптических систем передачи в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродинными методами приема.

Обобщенная структурная схема оптического линейного тракта

Оптический сигнал при прохождении по оптическому кабелю (ОК), как и при передаче электрических сигналов по металлическим кабелям, испытывает затухание, обусловленное собственными потерями из-за поглощения светового излучения и его рассеяния в материале оптического волокна (ОВ). Спектральная зависимость этих потерь обуславливает амплитудно-частотные (просто частотные) искажения сигналов и, следовательно, изменения их формы.

Дисперсионные явления в ОВ приводят к рассеянию во времени спектральных или модовых составляющих сигнала, т.е. к различному времени их распространения. Дисперсия ОВ (различие групповых скоростей различных составляющих оптического излучения) приводит к изменению формы и длительности оптических импульсных сигналов, т.е. к их уширению. Эти искажения аналогичны фазочастотным (фазовым) искажениям и при определенных значениях могут вызвать межсимвольные или интерференционные помехи при передаче импульсных сигналов.

Таким образом, прохождение оптических сигналов по ОВ сопровождается линейными искажениями: частотными и фазовыми. Кроме того, при прохождении по ОВ происходят затухания и отражения оптических сигналов в разъемных и неразъемных соединителях строительных длин ОК и компонентов ВОСП.

Совокупность технических устройств, предназначенных для передачи оптического излучения определенной длины волны и обеспечивающих компенсацию затухания светового потока, коррекцию искажений сигналов, минимально допустимую защищенность или вероятность ошибки, называется оптическим линейным трактом - ОПТ. Обобщенная структурная схема ОПТ приведена на рис. 16, где приняты следующие обозначения:

ОП-А (Б) - оконечный пункт (оконечная станция (ВОСП, включающий в себя весь комплекс оборудования каналообразования, сопряжения и формирования оптического линейного сигнала ОЛС); ООЛТ-О - оборудование ОЛТ оконечного пункта, где происходит формировнаие ОЛС, параметры которого максимально согласованы с параметрами передачи оптического волокна (ОВ), а также ввод его в ОВ с минимально возможными потерями и искажениями; УССЛК - устройство стыка (согласования) станционного (объектового) оптического кабеля (ОК) с линейным; ТК - устройства телеконтроля, обеспечивающие контроль состояния оборудования ОЛТ и отображение информации о наличии неисправностей или предотказного состояния, поступающей от датчиков состояния контролируемых параметров; ТМ - устройства телемеханики; СС - устройства служебной связи различного типа и назначения (участковой, постанционной, магистральной); УДПпер - устройства передачи дистанционного питания необслуживаемых ретрансляционных пунктов (НРтП), если их электропитание осуществляется по металлическим жилам оптического кабеля; УВК-0 - устройство ввода линейного ОК в оконечный, обслуживаемый и необслуживаемый ретрансляционные пункты; ЛРт - линейный ретранслятор, осуществляющий компенсацию затухания ОК, разъемных и неразъемных соединений, устройств ввода-вывода оптического излучения, коррекцию формы оптических и электрических сигналов, восстановление необходимых временных и спектральных соотношений в исходных сигналах; ретранслятор может быть реализован как оптический усилитель или как регенератор электрического сигнала; УДППр - устройство приема и распределения дистанционного питания НРтП; ООЛТпр (пер) - приемное и передающее оборудование ОЛТ обслуживаемого ретрансляционного пункта (ОртП); АВ и ПП - аппаратура выделения или переприема групп каналов в ОртП (возможно и в НРтП) или ОП.