Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы телекоммуникаций. Базовые компоненты телекоммуникационных систем. Учебное пособие для СПО
.pdf
51
52
ГЛАВА 4. БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ
Источник
информации
кодер модулятор
Источник
излучения
Приемное
устройство
демодулятордекодер
Приемник
информации
Оптический
канал
нмнмВД 780.......380:
ммнмИК 1.......740:
нмнмУФ 10.......380:
СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
4.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКОГО
На рисунке 4.1 представлена упрощенная функциональная схема
оптической системы передачи.
ДИАПАЗОНА
Рисунок 4.1 – Функциональная схема оптической системы передачи
Согласно рисунку 4.1 для передачи информационного сигнала по
оптическому каналу связи требуется наличие источника оптического излучения
и приемника оптического излучения, т.е. требуется наличие приемопередающего модуля ПОМ.
Рисунок 4.2 – Спектр электромагнитных волн
На рисунке 4.2 показано, что оптический диапазон занимает спектр от
10 нм до 1 мм. В состав оптического диапазона входят инфракрасный (ИК),
видимый (ВД) и ультрафиолетовый (УФ) диапазоны:
;
;
.
53
В оптических системах принято работать с диапазоном, соседним с
нмнм 1600.......850
видимым диапазоном:
.
В оптических системах носителями информации являются фотоны, т.е.
электрически нейтральные частицы, причем именно валентные электроны
приводят к возникновению фотонов. Полупроводники, у которых ширина
запрещенной зоны Eg находится в диапазоне от 0,02 до 5 эВ, пригодны для
ионизации валентных электронов. На рисунке 4.3 представлено время жизни
фотона τф и время перехода τп носителя с более высокого энергетического
уровня на нижний.
Рисунок 4.3 – Время существования фотона
Время жизни фотона составляет 10
-15
с, а время перехода 10-8с, т.е. за
время перехода может быть испущено большое количество фотонов.
В зависимости от рабочего диапазона ниже представлены формулы для
расчета энергетических и фотометрических параметров источников излучения.
Фотометрические параметры используются при работе в видимом диапазоне, а
энергетические – в инфракрасном диапазоне.
При анализе фотометрических параметров используют функцию
видности и телесный угол. Функция видности показывает восприимчивость
человеческого глаза к свету с различным спектральным составом. На рисунке
4.4 представлена функция видности. По оси у отложена нормированная
чувствительность глаза к свету. Согласно рисунку 5.4 наиболее чувствителен
глаз в светлое время суток к диапазону длин 550-570 нм, что соответствует
желто-зеленому свету, а в темное время суток чувствительность смещается по
длине волн в более короткий диапазон.
54
Рисунок 4.4 – Относительная спектральная световая эффективность
ср
R
S
c
,
2
=
Телесный угол Ω – это угол, при котором точечный источник вырезает
освещенную площадку Sс на расстоянии R. Единицы измерения – стерадианы
(ср).
Рисунок 4.5 – Телесный угол
Формула для расчета телесного угла (4.1)
. (4.1)
Ниже перечислены основные фотометрические параметры.
1. Световой поток, измеряемый в люменах (лм), есть величина
энергии, излучаемой точечным источником в единице телесного угла.
55
. (4.2)
=
d
dQ
Ф
v
=
v
v
Ф
I
c
v
v
S
Ф
Е =
c
v
v
S
I
L =
ви
v
v
S
Ф
М =
)(683
VФФ
еv
=
dt
dQ
Фе=
2. Сила света, измеряемая в канделах (кд). Сила света равна световому
потоку, ограниченному телесным углом при монохроматическом излучении.
. (4.3)
3. Освещенность, измеряемая в люксах (лк).
. (4.4)
4. Яркость, измеряемая в кд/м2.
. (4.5)
5. Светимость освещенной поверхности, измеряемая в лм/м2.
, (4.6)
где Sви – площадь вторичного источника.
Энергетические характеристики имеют отличия от фотометрических.
Поток излучения есть отношение энергии, переносимой электромагнитным
излучением через какую-либо поверхность, ко времени переноса и
определяется по формуле (4.7). Световой поток и поток излучения связаны
между собой по формуле (4.8).
, (4.7)
, (4.8)
56
где V(λ) – значение относительной спектральной световой
Энергетические параметры
Определение
Световые параметры
обозначение
ед. изм.
обозначение
ед. изм.
Поток излучения
Фе
Вт
Скорость переноса энергии
излучение
Световой
поток ФV
лм
Сила излучения
Ie
Вт/ср
Поток в единице телесного
угла
Сила света IV
кд =
лм/ср
Энергетическая
светимость Ме
Вт/м2
Поток единицы площади с
излучающей поверхности
Светимость
МV
лм/м2
Энергетическая
яркость Le
Вт/(ср·м
2)
Поток в единице телесного
угла, отнесенный к
площади, излучающей с
учетом угла падения луча
относительно нормали
Яркость LV
кд/м2
Энергетическая
освещенность Ее
Вт/м2
Поток на единицу площади
поверхности приемника
излучения
Освещенность
ЕV
лк
эффективности для дневного зрения, соответствующее той же длине волны.
Отличие энергетических параметров от фотометрических (световых)
представлено в таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Световые и энергетические параметры
В оптических системах необходимо учитывать следующие требования к
источнику излучения:
− источник излучения должен выдерживать необходимую частоту
модуляции для обеспечения передачи информации с требуемой скоростью;
− источник излучения должен быть эффективным, т.е. большая часть
излучения должна попадать в оптический канал связи;
− источник излучения должен иметь достаточную мощность для
передачи сигнала на требуемое расстояние;
− источник излучения должен быть устойчив к температурным
воздействиям.
В настоящее время в качестве источников излучения используются
светодиоды (LED) и лазерные диоды (LD). Ниже рассмотрены особенности
источников излучения.
4.2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
57
Светоизлучающие диоды
VD
Е
+-
Uvd
Ф
Ur
I
r
UE
I
UrIUUE
vd
vdvdr
−
=
+=+=
Р/Рпотр
λ
λдом
Δλ
0,5
1
Светоизлучающий диод (light emitting diode) – это полупроводниковый
прибор с p-n-переходом. При протекании тока через p-n-переход возникает
интенсивное спонтанное излучение. Светоизлучающий диод может работать в
видимом диапазоне и инфракрасном. Для изготовления светоизлучающих
диодов используются следующие типы материалов:
− фосфид галлиевые (GaP) – для работы в видимом диапазоне;
− арсеникум галлиевые (GaAs) – для работы в инфракрасном
диапазоне.
Ниже представлено УГО и схема включения светоизлучающего диода.
Рисунок 4.6 – УГО и схема включения СИД
Уравнение нагрузочной прямой можно представить уравнением (4.9).
. (4.9)
На рисунке 4.7 представлена спектральная характеристика СИД.
Рисунок 4.7 – Спектральная характеристика
58
На спектральной характеристике представлена доминирующая длина
E
сh
СИД
=
дом
Е
24,1
=
волны СИД и ширина спектра Δλ.
где E– энергия фотона (эВ);
h – постоянная Планка (6,62·10
с – скорость света (м/с).
Формулу (4.6) можно представить упрощенным выражением:
Ширина спектра излучения светоизлучающего диода прямо
пропорциональна длине волны:
.
Основные эксплуатационные характеристики светоизлучающего диода:
, (4.10)
-34
Дж·с);
. (4.11)
− минимальная мощность излучения P
− максимальная мощность излучения P
− длина волны λ;
− ширина спектра излучения Δλ;
− несущая частота.
Принцип работы СИД основан на излучательной рекомбинации
носителей заряда в активной области. Под воздействием тока носители заряда
электроны и дырки проникают в активный слой из прилегающих p- и n-слоев.
По конструкции светоизлучающие диоды делятся на:
− поверхностный СИД;
− торцевой СИД.
Конструкция поверхностных СИД характеризуется формированием в
кристалле «выемки», откуда излучение передается в оптический канал связи. В
торцевых СИД в кристалле формируются два торца, один торец выполняет
функции зеркала, которое формируется для отражения фотонов, а излучение
выводится через второй торец кристалла.
На рисунке 4.8 представлены зависимости мощности излучения от тока
для поверхностных и торцевых СИД.
min
max
;
;
59
Рисунок 4.8 – Ваттамперная характеристика
Р мВт
I, мА
Поверхностный СИД
Торцевой СИД
VD
наскэVDП
VD
R
огр
I
UUU
I
U
R
)( +−
==
Основные графические характеристики СИД:
− вольтамперная характеристика Iпр =f(Uпр);
− диаграмма направленности Р/Р
− спектральная характеристика Р/Р
− световая характеристика I
норм
− передаточная характеристика I
max
=f(I);
норм
=f(φ);
= f(λ);
max
=f(U).
Работа светоизлучающего диода зависит от схем накачки. Различают
схемы включения с низким активным уровнем и схемы включения с высоким
активным уровнем.
Рисунок 4.9 – Схема с низким активным уровнем
Схема включения с низким активным уровнем характеризуется
формированием излучения при включенном биполярном транзисторе.
, (4.12)
60
где UП – напряжение питания;
VD
VDП
огр
I
UU
R
−
maxк
наскэП
огр
I
UU
R
−
Iнорм
U, В
1
2
UVD – падение напряжения на СИД;
U
I
VD
В схеме с высоким активным уровнем светоизлучающий диод излучает
при выключенном транзисторе.
– напряжение коллектор – эмиттер в режиме насыщения;
КЭ нас
– ток в цепи с включенным диодом.
Рисунок 4.10 – Схема с высоким активным уровнем
, (4.13)
, (4.14)
где I
Передаточные характеристики для различных схем включения СИД
представлены на рисунке 4.11.
– максимальный ток коллектора.
k max
Рисунок 4.11 – Передаточная характеристика с высоким активным уровнем
накачки (1) и с низким активным уровнем (2)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]