Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы телекоммуникаций. Базовые компоненты телекоммуникационных систем. Учебное пособие для СПО
.pdf
61
На рисунке 4.12 представлены схемы включения с логикой ТТЛ.
R
огр.
VD
DD1
+ UП -
R
огр.
VD
DD1
R
огр.
VD
DD1
+ UП -
Р/Рпотр
λ
Δλ
0,5
1
Рисунок 4.12 – Схемы включения СИД с ТТЛ
На рисунке 4.12 введено обозначение DD, т.е. обозначение микросхемы
в целом, где «D» – digital – означает «цифровой».
Лазерные диоды
Лазерные диоды – это приборы когерентного излучения с вынужденным
излучением. На рисунке 4.13 представлена спектральная характеристика
лазерного диода.
Рисунок 4.13 – Спектральная характеристика лазерного диода
На рисунке 4.13 пунктирной линией представлена характеристика СИД, а
сплошной – характеристика лазерного диода. Ширина спектра излучения СИД
намного больше, чем лазерного диода.
62
4.14.
Излучатель
Р, мВт
Δφ, град
Δλ, нм
Срок службы, ч.
Лазерный диод
10-40
4-20
1-3
104-10
5
СИД
5-20
60-80
30-50
105-10
6
Р мВт
I, мА
Лазерный диод характеризуется следующими особенностями:
− высокое быстродействие;
− узкая диаграмма направленности;
− малые размеры.
Ваттамперная характеристика лазерного диода представлена на рисунке
Рисунок 4.14 – Ваттамперная характеристика ЛД
На рисунке 4.14 пунктирной линией показана характеристика СИД,
сплошной – характеристика ЛД.
Основные отличия лазерного диода от светоизлучающего диода
характеризуется:
− наличием встроенного резонатора;
− большими токами накачки;
− наличием обратной связи.
Особенности лазерного диода позволяют сформировать индуцированное
излучение с малым углом расходимости. В таблице 4.2 представлены основные
количественные параметры СИД и ЛД.
Таблица 4.2 – Усредненные параметры СИД и ЛД
В системах телекоммуникации различают:
− с резонатором Фабри-Перо (MLM);
− лазеры с встроенным резонатором (VCSEL);
− с распределенной обратной связью (DFB, POC);
− с распределенным брэгговским отражением (РБО);
− с внешним резонатором.
63
В таблице 4.3 приведены сравнительные характеристики лазерных
Параметры
MLM
DFB
POC
VCSEL
λ, нм
850/1300
1310/1550
1550
850/1300
Δλ, нм
1- 3
< 1
0,1 - 0,4
1 - 3
р, дБм
0 0 0
0
2
3 4 5
6
1
Оптический
сигнал
диодов.
Таблица 4.3 – Параметры лазерных диодов
4.3. ФОТОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
Фотоприе мное устройство (ФПУ) в телекоммуникациях преобразует
световой сигнал в цифровой путе м преобразования оптического сигнала в
электрический.
Процесс включает несколько этапов:
1. Пространственное разделение входного излучения на спектральные
составляющие с помощью оптического фильтра, которое применяется для
«очистки» выходного сигнала лазеров, устранения аберраций в оптическом
луче.
2. Преобразование этих составляющих с помощью фотодиода в
электрический ток, пропорциональный мощности соответствующей длины
волны.
3. Преобразование электрического тока с помощью управляемого током
усилителя напряжения в аналоговое напряжение.
4. Аналого-цифровое преобразование полученного аналогового
напряжения, в результате которого сигнал приобретает цифровую форму.
К основным методам фотодетектирования относятся:
фотодетектор, и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал.
− прямое фотодетектирование;
− фотодетектирование с преобразованием;
− гомодинное детектирование;
− гетеродинное детектирование.
При прямом детектировании оптический сигнал направляется на
Рисунок 4.15 – Структурная схема прямого детектирования
64
На рисунке 4.15 представлены блоки:
2
3 4 5
7
1 6
С1
С2
С3
8
1 – фотодетектор, преобразующий световой сигнал в электрический;
2 – предварительный усилитель, предназначенный для усиления
электрического сигнала;
3 – противошумовой корректор для устранения шумов за пределами
полосы частот сигнала;
4 – главный усилитель;
5 – корректор для компенсации искажений, вносимых линией и входной
цепью;
6 – автоматический регулятор усиления, обеспечивающий требуемый
динамический диапазон входных сигналов
Необходимо учитывать, что после прохождения детектирования и
усиления электрического сигнала к выходному сигналу добавляются шумы, т.е.
возникают линейные и нелинейные искажения.
При детектировании с преобразованием оптический сигнал
направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического
генератора, и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал
радиочастоты, содержащий информационный сигнал. Существуют такие
способы детектирования с преобразованием: гомодинное и гетеродинное.
Рисунок 4.16 – Структурная схема детектирования с преобразованием
На рисунке 4.16 представлены блоки и сигналы:
1 – оптический гибридный соединитель;
2 – предварительный оптический усилитель;
3 – фотодиод;
4 – предварительный усилитель с малыми шумами;
5 – главный усилитель;
6 – демодулятор;
7 – подстройка опорного генератора;
8 – опорный оптический генератор.
При гомодинном детектировании частота несущей оптического сигнала
совпадает с частотой опорного оптического генератора. В этом случае на
выходе ФПУ выделяется информационный электрический сигнал.
65
При гетеродинном детектировании частота несущей отличается от
)(
и
ф
ф
Р
I
S =
частоты опорного оптического генератора, и разность этих частот представляет
радиочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом.
Фотоприемные устройства характеризуются эксплуатационными
параметрами, к которым относятся следующие:
− фототок (Iф);
− мощность излучения (Ри(λ));
− чувствительность ФПУ (Sф);
− перегрузка ФПУ;
− граничная длина волны (λгр);
− площадь рабочей поверхности (S
− темновой ток;
− рабочее напряжение;
− быстродействие.
Чувствительность фотоприемника (receiver sensitivity)
характеризует минимальный уровень мощности, принимаемой фотодетектором,
при котором еще обеспечивается заданное значение коэффициента ошибок и
измеряется в А/Вт.
, (4.15)
где Iф – фоток;
Ри(λ) – мощность излучения.
Уровень перегрузки фотоприемника (receiver overload) показывает
максимальный уровень мощности, который можно подавать на фотодетектор.
Превышение этого уровня приведет к нелинейному режиму работы и резкому
увеличению коэффициента ошибок на приеме, а при большей мощности – к
разрушению чувствительной площадки фотоприемника.
Темновой ток, измеряемый в мкА, – это ток утечки при полном
затемнении, т.е. при отсутствии оптического излучения.
Быстродействие определяется временем нарастания и спада
характеристики фототока.
В телекоммуникационных системах в качестве фотоприемных устройств
используется фотодиод, который может работать в двух режимах:
р.п.
);
− фотодиодный режим;
− фотогальванический режим.
На рисунках 4.16, 4.17 и 4.18 представлено УГО фотодиода, схемы
включения в фотогальваническом и фотодиодном режимах соответственно.
66
BL
Рисунок 4.16 – УГО фотодиода
Uout
r
BL
BL
r
Рисунок 4.17 – Включение фотодиода в фотогальваническом режиме
Рисунок 4.18 – Включение фотодиода в фотодиодном режиме
Фотодиодный режим является наиболее перспективным в системах
передачи, т.к. характеризуется высокой чувствительностью и большим
быстродействием. Фотогальванический режим предназначен для работы
датчиков.
Принцип работы фотодиода основан на поглощении фотона в p-nпереходе и образовании пары электрон-дырка. При их разделении электроны
перемещаются в n-область, а дырки – в р-область, т.е. возникает фототок.
Вероятность разделения созданной пары выше в том случае, если эта пара
образуется в области полупроводника, находящегося под воздействием
электрического тока. Поглощение фотона зависит от его длины волны, причем
фотон с малой длиной волны поглощается вблизи поверхности, а фотоны
большой длины волны могут проникать через всю толщу кристалла, т.е.
требуется обеспечить толщину примесного слоя для принятия фотона.
67
Работу фотодиода оценивают с помощью квантовой эффективности,
Ре
hI
ф
=
ŋ
λ, мкм
0,75 1,5
0,75
0,85
формула (4.16)
, (4.16)
где h – постоянная Планка;
ν – частота излучения;
е – заряд электрона;
Р – мощность оптического излучения.
На рисунке 4.19 приведена квантовая эффективность фотодиодов,
изготовленных из кремния и германия.
Рисунок 4.19 – Графики квантовой эффективности
К основным графическим характеристикам относятся:
− спектральная характеристика;
− амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);
− вольтамперная характеристика (ВАХ);
− энергетическая характеристика.
Спектральную характеристику можно представить как зависимость
токовой чувствительности от длины волны и как зависимость фототока от
длины волны. Ниже представлены две графические зависимости
соответственно.
68
Sотн
λ
λ1 λ2
)()(
отнпаспабс
SSS =
ФДабсф
РSI = )()(
Iф
λ
λmin λmax
0,5Iф
Рисунок 4.20 – Спектральная характеристика S=f(λ)
На рисунке 4.20 по оси y отложено относительное значение
чувствительности. Абсолютное значение чувствительности определяется
произведением относительной чувствительности на паспортное значение.
, (4.17)
где S
(λ) – абсолютная чувствительность, измеряемая в А/Вт.
абс
При известном значении величины абсолютной чувствительности по
формуле (4.18) определяется фототок диода.
, (4.18)
где РФД – принятая мощность излучения в Вт.
Рисунок 4.21 – Спектральная характеристика Iф=f(λ)
69
На рисунке 4.21 минимальная длина волны λ
U, В
F,ГГц
I, мА
U, В
Ф1=0
Ф2>Ф1
I
Iф
Т
Iф, мА
Р
Рmin Рmax
фоточувствительной площадки, а максимальная длина волны λ
определяется толщиной
min
определяется
max
величиной запрещенной зоны.
На рисунках 4.22 – 4.24 представлены амплитудно-частотная зависимость
(АЧХ), вольтамперная (ВАХ) и энергетическая характеристики соответственно.
Рисунок 4.22 – АЧХ
Рисунок 4.23 – ВАХ
Рисунок 4.24 – Энергетическая характеристика
70
По энергетической характеристике можно определить минимальные и
min
max
lg10
Р
Р
D =
..
)(
)(
пр
S
Р
=
максимальные величины световых потоков, которые определяют динамический
диапазон фотоприемного устройства:
. (4.19)
Кроме рассмотренных выше параметров, необходимо учитывать
интенсивность излучения I(λ), которая определяется формулой (4.20) и
измеряется в Вт/м2.
. (4.20)
При работе фотоприемных устройств необходимо учитывать их
шумовые характеристики. Шум фотоприемного устройства представляет
хаотичный сигнал со случайной амплитудой и частотой. Шум может быть
вызван внутренними и внешними источниками. Внутренние причины связаны с
корпускулярной природой света и характеризуются наличием темнового тока
при полном затемнении. Внешние причины обусловлены различными
наводками от сторонних источников.
4.4. ОПТИЧЕСКИЕ ТРАНСИВЕРЫ
В настоящее время при работе с коммутационным или передающим
оборудованием используются оптические приемо-передающие устройства –
трансиверы (англ. transceiver = transmitter + receiver). В настоящее время
трансивер представляет собой компактный сменный модуль, рассчитанный на
различные параметры канала связи и устанавливаемые в стандартизированные
электрические порты активного оборудования:
− маршрутизаторы;
− коммутаторы;
− мультиплексоры;
− медиаконвертеры.
Трансиверы имеют различные форм-факторы. Наиболее
распространенными являются трансиверы форм – фактора SFP или small form
factor pluggable, который предусматривает передачу информации со скоростью
1Гбит/с. Для передачи более высокоскоростных потоков в дальнейшем были
разработаны SFP+ (10 Гбит/с), XFP (10 Гбит/с), QSFP+ (40 Гбит/с), CFP (100
Гбит/с). Однако при более высоких скоростях производится обработка сигналов
на более высоких частотах. Это требует большего теплоотвода и,
соответственно, больших габаритов.
Оптические трансиверы играют большую роль в оптических системах
передачи, выполняют функции преобразования электрического сигнала в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]