Основы оптической связи. Практикум

УДК 621.316

В.Г. Фокин. Основы оптической связи. Практикум. Новосибирск: ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2013. - 35 с.

Практикум предназначен для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения, заочной ускоренной формы обучения по сокращённым программам и заочной формы обучения с применением дистанционных технологий по направлению подготовки 210700 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации «бакалавр». Также практикум может использоваться при организации самостоятельной работы студентов очного обучения.

В практикуме представлены: программа дисциплины, контрольные задания, методические указания к решению задач, справочные приложения и список учебной литературы.

Кафедра многоканальной электросвязи и оптических систем

Табл. 31 , список лит. 11 наименований.

Рецензент: к.т.н. Носкова Н.В.

Утверждено редакционно-издательским советом ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве практикума для студентов заочного обучения.

© ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики», 2013г.

3

Введение

Предлагаемые материалы предназначены для студентов, изучающих дисциплину "Основы оптической связи". В практикум включены: программа дисциплины, контрольные задания и методические указания по семи разделам дисциплины, справочные данные для оптических интерфейсов и список рекомендуемой литературы.

Студентам рекомендуется внимательно познакомиться с программой, ответить письменно на контрольные вопросы, используя конспект лекций и указанную литературу, решить задачи по индивидуальным вариантам (цифрам номера студенческого билета или пароля) и обязательно сделать выводы.

На вопросы, приведенные в отдельных разделах, следует отвечать кратко, по существу. При решении контрольных задач следует сопровождать расчеты краткими пояснениями, выводами и оценками. Кроме того, все решения должны четко обозначаться соответствующими единицами измерений. Например, частота - Гц, расстояние - м или км, потери мощности - дБ, уровень мощности - дБм, дисперсия одномодового волокна - пс/(нм×км), дисперсия поляризованной моды пс/√км, полоса пропускания оптического волокна, нормированная по длине линии - МГц×км, длина волны излучения - мкм или нм и т.д.

При ответе на вопросы и решении контрольных задач рекомендуется использовать графические пояснения. Рисунки следует оформлять согласно существующим стандартам. Для ответа на вопросы и решения конкретных задач можно использовать конспект лекций и рекомендованные учебные издания. Также рекомендуется использовать периодические научно-технические издания (журналы "Электросвязь", "Вестник связи", "Технологии и средства связи", «Фотон-Экспресс», «Lightwave Russian Edition», «Первая миля», Журнал сете-

вых решений LAN и другие, в том числе издания, публикуемые в INTERNET) и издания, которые могут выйти в печати после опубликования этих учебных материалов.

4

Программа дисциплины «Основы оптической связи»

Введение. Общая структура оптической системы передачи.

1 Основы физической и квантовой оптики. Физическая оптика и характеристики диапазонов электромагнитных волн для оптической связи. Квантовые характеристики материалов для изготовления источников, приемников оптического излучения и световодов.

2 Физические среды оптической связи и их характеристики. Волоконные световоды и их характеристики. Атмосфера и её характеристики. Оптические кабели.

3Пассивные устройства в оптической схемотехнике. Оптические разъёмные соединители. Соединительные розетки и адаптеры. Оптические аттенюаторы. Оптические кроссы. Оптические ответвители и разветвители. Оптические изоляторы. Оптические фильтры, мультиплексоры, демультиплексоры. Оптические циркуляторы. Компенсаторы дисперсии. Преобразователи длин волн. Коммутаторы и маршрутизаторы оптических каналов. Мультиплексоры

OADM.

4Модули передачи оптических сигналов. Источники оптического излучения: светодиоды, многомодовые и одномодовые лазеры, принципы действия, основные характеристики. Перестройка излучения лазера. Согласование источников излучения с волокном. Модуляция оптического излучения. Прямая и внешняя модуляция.

5Модули приёма оптических сигналов. Фотодетектор, виды фотодетекторов. Фотодиоды конструкций p-i-n, APD, TWP, фотодиоды с волновой селекцией. Принцип действия, характеристики. Шумы фотодиодов. Фотоприёмные устройства прямого детектирования и детектирования с преобразованием. Принципы когерентного оптического приёма. Гомодинный и гетеродинный приём. Усилители фотоприёмных устройств. Сигнал/шум на выходе ФПУ.

6Оптические усилители и регенераторы оптических сигналов. Принципы оптического усиления. Полупроводниковые оптические усилители, конструкции, принцип усиления, характеристики. Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов, конструкции, принцип усиления, характеристики. Оптические усилители на основе эффектов рассеяния, рамановские и брюэлленовские усилители.

7Линейные тракты оптических систем передачи. Атмосферные и волоконные линейные тракты. Линейные коды для ВОСП. Алгоритмы формирования сигналов в линейных кодах. Проектирование одноволновых линейных трактов, ограничения длины регенерационных участков. Проектирование линейных трактов с мультиплексированием волн CWDM, DWDM, оценка OSNR. Q-фактор при определении BER. Коррекция ошибок FEC. Построение солитонных ВОСП. Фотонные кристаллы и нанофотонные технологии.

8Примеры построения оптических систем передачи. Волоконнооптические системы передачи. Атмосферные оптические системы передачи.

5

Контрольные задания для самостоятельной работы по разделам

1 Основы физической и квантовой оптики

Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:

1 Чем обусловлено использование диапазона волн 0,4 - 1,8мкм в технике оптической связи?

2 Как связаны энергия фотона и длина волны излучения? 3 Какие законы являются основой геометрической оптики? 4 Какой физический смысл у показателя преломления?

5 Что такое поляризация электромагнитной волны?

6 Почему происходит интерференция волн?

7 Какие приборы строятся на основе интерференции?

8 Что называют дифракционной решеткой?

9Что сообщается в условии Брэгга-Вульфа?

10В чем физический смысл «запрещённой зоны» полупроводниковых материалов?

11Почему соединение GaAs может использоваться для изготовления источников и приёмников оптического излучения ВОСП?

12Чем отличаются прямозонные и непрямозонные материалы?

13Какие функции может выполнять p-n переход в оптических приборах при прямом и обратном смещении?

14Чем отличаются типы отражательных решеток?

15Какие устройства могут входить в состав ВОСП?

16Какие функции выполняет оптический конвертор ВОСП?

2 Физические среды оптической связи и их характеристики

Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:

1Что принято понимать под волоконно-оптической системой передачи?

2Какой диапазон электромагнитных волн (частот) получил наибольшее применение в оптических системах передачи?

3Какие характеристики имеют волоконные световоды?

4Какие материалы используют для изготовления волоконных световодов?

5Чем обусловлены потери оптической мощности в стекловолокне?

6Чем отличаются волоконные световоды стандарта G.652 с различными буквенными индексами (A, B, C, D)?

7Какие волоконные световоды имеют рабочий диапазон S?

8Что такое дисперсия в оптическом волокне?

9Чем принципиально отличаются волокна SMF и NZDSF?

10Какие виды дисперсии имеют место в волоконных световодах?

11Чем обусловлена ПМД?

6

12 Какие ограничения создаёт ПМД для передачи импульсных сигналов по скорости и дальности?

13 Чем вызваны нелинейные оптические эффекты в стекловолокне? 14 Чем вызваны потери оптической энергии в атмосфере Земли? 15 Чем различаются оптические кабели?

Задача 2 (прочтите внимательно условие задачи!)

Определить затухание, дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим затуханием (дБ/км) на длине волны излучения передатчика 0 (мкм), ширине спектра излучения 0,5 (нм) на уровне половины максимальной мощности излучения. Определить расстояние, на котором хроматическая дисперсия сравняется с поляризационной модовой дисперсией (ПМД) в указанном по варианту типе волокна. Данные для задачи приведены в табл. 2.1 и 2.2. Определить мощность оптического излучения в волокне на выходе секции, если на входе подключен оптический генератор с уровнем мощности 0дБм на заданной длине волны λ0.

Таблица 2.1

Таблица 2.2

7

SF, Standard Fiber – стандартное одномодовое ступенчатое волокно, коэффициент ПМД σпмд=0,5 пс/√км;

DSF, Dispersion-Shifted (single mode) Fiber – волокно одномодовое со смещен-

ной дисперсией, коэффициент ПМД σпмд=0,1 пс/√км;

SMF-LS, Single Mode Fiber-LS – одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Corning), коэффициент ПМД σпмд=0,05 пс/√км;

True Wave, "Истинная волна" – одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Lucent Technologies), коэффициент ПМД σпмд= 0,1 пс/√км;

LEAF – одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией

(Corning), коэффициент ПМД σпмд= 0,01 пс/√км.

Методические указания к задаче 2

1)Для решения задачи 1 необходимо внимательно изучить конспект лекций (раздел 2) и литературу по характеристикам кварцевых оптических волокон.

2)Рекомендуется следующий порядок выполнения задания 2:

-определить максимальное затухание секции длиной L,

-определить совокупную дисперсию секции с учетом ширины спектра излучения,

-определить полосу пропускания оптической линии,

-определить максимальную скорость передачи двоичных импульсов через

оптическую линию.

3) Результирующее максимальное затухание секции находится из соотношения:

где ls – потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля (ls = 0,05 дБ); Ns – число стыков, определяемое: Ns = Е [(L/Ls)–1] (целое число), Ls = 6 км (для всех вариантов).

4) Результирующая хроматическая дисперсия секции находится из соотношения:

5) Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения:

6) Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от FОВ и их формы, которую принято считать прямоугольной или гауссовской:

Для всех вариантов считать форму импульса гауссовской.

7) Для нахождения расстояния, при котором хроматическая дисперсия становится равной дисперсии ПМД необходимо приравнять математические выражения этих видов дисперсии и вычислить длину линии (2.6)

8) Для вычисления мощности на выходе волокна секции необходимо из уровня мощности на входе волокна секции вычесть затухание всей секции АМ и полученное значение перевести в мощность, используя понятие «абсолютный уровень по мощности».

При обозначении коэффициентов дисперсии (хроматической и ПМД) в различной литературе могут использоваться различные значки, например:

ϭХР , σПМД и Хр , ПМД , но при этом сохраняется одинаковый смысл.

Привести письменно выводы и оценки по результатам расчетов.

3 Пассивные устройства в оптической схемотехнике

Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:

1 Чем отличаются прямой и угловой физические контакты коннекторе? 2 Какое назначение имеют соединительные оптические розетки?

3 Какие разновидности имеют оптические аттенюаторы?

4 Что входит в состав оптического кросса?

5 Какое назначение могут иметь оптические разветвители?

6 Что представляет собой оптический изолятор?

7 Какое назначение у оптических мультиплексоров и демультиплексоров?

8 Где в ВОСП применяется компенсатор дисперсии?

9 Какие устройства могут изменить маршрут световой волны?

10 Какое назначение имеет OADM?

11 Какие устройства могут входить в состав OADM?

Задача 3

Составить схему последовательного соединения ряда оптических пассивных компонентов (по данным табл. 3.1) и определите совокупное затухание в этой оптической цепи (по данным табл. 3.2).

Таблица 3.1

9

Обозначено в табл.3.1: 1 разъёмный соединитель, 2 розетка, 3 разветвитель 1х2 (3дБ), 4 аттенюатор, 5 мультиплексор (2дБ), 6 демультиплексор (3дБ), 7 оптич. фильтр (3дБ) , 8 циркулятор (3дБ), 9 компенсатор дисперсии (10дБ).

Таблица 3.2

Методические указания к задаче 3

1.Составить схему в виде рисунка с обозначением всех компонентов по варианту.

2.Найти суммарную величину затухания в цепочке компонент, учитывая данные табл. 3.2 и собственно компонент (в пояснении к табл. 3.1).

4 Модули передачи оптических сигналов

4.1 Источники оптического излучения

Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:

1.Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?

2.Чем отличаются конструкции и характеристики торцевого (суперлюминесцентного) и поверхностного светодиодов для оптической связи?

3.Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?

4.Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?

5.Как устроен полупроводниковый гетеролазер с резонатором Фабри – Перо и как формируется когерентное излучение в нём?

6.Каким образом в лазерах достигается одномодовый режим генерации?

7.Почему и какими средствами стабилизируют температурный режим работы лазера?

8.Как можно перестроить длину волны излучения одномодового лазера?

9.Что показывает диаграмма направленности излучения светодиода и лазера?

10.Чем согласуют источники излучения с волоконными световодами и атмосферой?

10