Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пакетно-оптические транспортные сети. Технологии оптических транспортных сетей. Ч. 1. Учебное пособие
.pdf
а)
б)
в)
Рисунок 1.30 - Применение принципа шумоподавления: а - схема
экспериментальной установки; б - сравнение качества сигнала с
использованием новой схемы шумоподавления и без неё; в - количество ошибок
в сигнале, прошедшем 12800 км до и после коррекции ошибок [13]
32
Технология, получившая название PCTW (Phase-Conjugated Twin Waves),
позволит уменьшить количество повторителей на длинных дистанциях или
даже полностью отказаться от них, оставив лишь усилители [13]. Это может
заметно снизить стоимость прокладки трансконтинентальных оптоволоконных
линий связи. На коротких дистанциях возможно уменьшение накладных
расходов на коды коррекции ошибок и увеличение полосы пропускания.
1.8. Источники оптического излучения
В качестве источников оптического излучения в ВОСП применяют
полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) и светоизлучающие диоды (СИД),
построенные на основе двойной гетероструктуры из материалов с
прямозонными переходами.
Излучение светодиодов возникает в результате спонтанной излучательной
рекомбинации носителей заряда и поэтому является некогерентным, а,
следовательно, относительно широкополосным и слабонаправленным.
Принципиальным отличием лазерного диода от светодиода является наличие в
нем встроенного оптического резонатора [2]. Это позволяет при условии
превышения током инжекции некоторого порогового значения получить режим
индуцированного излучения, которое характеризуется высокой степенью
когерентности.
Наиболее часто в качестве оптического резонатора в полупроводниковых
лазерных диодах используют: плоский резонатор Фабри–Перо и его
модификации, включая составные и внешние резонаторы, резонаторы с
распределенной обратной связью (РОС-резонатор) и с распределенным
брэгговским отражателем (РБО-резонатор). Плоский резонатор Фабри–Перо
образуется параллельно сколотыми торцами полупроводника, а РОС- и РБОрезонаторы – путем периодической пространственной модуляции параметров
структуры, влияющих на условия распространения излучения. При совмещении
периодической структуры в виде дифракционной решетки с активной областью
получают РОС-лазерный диод, а при размещении этой структуры за пределами
активной области – РБО-лазерный диод. Следует также отметить, что структура
активной области современных ЛД часто выполняется с технологией
множественных квантовых ям (MQW - multi-quantum wells), позволяющей
существенно уменьшить порог лазерной генерации и повысить температурную
стабильность.
Преимуществами РОС- и РБО-лазерных диодов по сравнению с обычным
лазерным диодом с резонатором Фабри-Перо являются: уменьшение
зависимости длины волны излучения от тока инжекции и температуры, высокая
33
стабильность параметров излучения, практически 100-процентная глубина
Рисунок 1.31 - Спектральное распределение мощности: а – светодиода;
б – многомодового лазерного диода; в – одномодового лазерного диода
модуляции. Так, если в лазерном диоде с резонатором Фабри-Перо
температурный коэффициент Δλ/ΔТ порядка 0,5…1 нм/°С, то для РОС-лазерного
диода он равен 0,07…0,09 нм/°С. Кроме того, РОС- и РБО-структуры позволяют
реализовывать интегрально-оптические схемы. Структуры с РОС- и РБО-
резонаторами часто обозначают DFB (Distributed Feedback ) и DBR (Distributed
Bragg Reflector) соответственно. Основным их недостатком является сложная
технология изготовления и, как следствие, высокая стоимость. Номинальную
длину волны излучении λ
определяют как значение, соответствующее
0
максимуму спектрального распределения мощности (спектральной характери-
стики). Спектральное распределение мощности Р(λ) для различных источников
показано на рисунке 1.31.
Ширина излучаемого спектра обычно измеряется по уровню 0,5 от
максимального значения Р
обозначают Δλ
(или Δλ-3, где нижний индекс означает уровень - 3 дБм от
0,5
(FWHM –Full Width at Half Maximum). Еë
М
максимального) и определяют как интервал длин волн, в котором спектральная
плотность мощности составляет половину максимальной. В ряде случаев
ширину спектра определяют по уровню 0,01 , что соответствует -20 дБм от
максимума. Тогда используют следующие обозначения: Δλ
или Δλ
0,01
-20
Огибающая спектрального распределения излучения светодиода имеет примерно
форму гауссовой кривой с Δλ
=20... 50 нм. Для лазерных диодов с резонатором
0,5
Фабри-Перо ширина спектра значительно уже (порядка 1 ... 4 нм) и существенно
меньше для РОС- и РБО-лазерных диодов, у которых в зависимости от
конструкции она может составлять 0,01...0,3 нм. Минимальная ширина спектра
.
достигается в лазерных диодах с дополнительными внешними резонаторами, у
которых она в зависимости от типа резонатора лежит в пределах
100 . . . 1500 кГц [2].
34
На ватт-амперной характеристике (рисунок 1.32) лазерного диода можно
выделить точку излома, которая определяется пороговым током накачки I
пор
При токах накачки выше порогового лазерный диод работает в режиме
индуцированного (лазерного) излучения и мощность его очень быстро растет с
увеличением тока накачки.
Рисунок 1.32 - Ватт-амперные характеристики:
1 – лазерного диода; 2 – светодиода
Если ток накачки меньше I
, то прибор работает в режиме спонтанного
пор
излучения и излучаемая мощность мала. Одновременно резко уменьшается
.
быстродействие и существенно расширяется ширина излучаемого спектра.
Поэтому лазерные диоды в динамическом режиме работы требуют начального
смещения постоянным током, примерно равным пороговому току, при котором
излучаемая мощность мала, но не равна нулю. Следовательно, в случае
модуляции цифровым сигналом символу "0" будет соответствовать некоторая
ненулевая мощность излучения Р
, а символу "1" — Р1 , т.е. не 100 % глубина
0
модуляции. Для лазерных диодов характерна температурная зависимость
порогового тока. С ростом температуры пороговый ток увеличивается.
Изменение температуры приводит также к изменению длины волны излучения.
Наибольшей температурной нестабильностью обладают лазерные диоды с
резонатором Фабри-Перо. Лазерные диоды с РОС- и РБО- резонаторами более
термостабильны. Для уменьшения температурных влияний применяют
специальные меры, например, используют теплоотводы с элементом Пелтье.
Параметры и характеристики светодиодов имеют достаточно высокую
температурную стабильность, что делает их более простыми в эксплуатации.
Важнейшим показателем надежности является наработка на отказ. Если
раньше лазерные диоды обладали существенно меньшей надежностью по
сравнению со светодиодами, то теперь благодаря совершенствованию кон-
струкций и технологий изготовления ее удалось значительно повысить и довести
до приемлемой величины (порядка 10
5
час. и выше) [1].
35
В системах с цифровыми (в общем случае импульсными) методами
модуляции необходимо различать два режима работы полупроводникового
излучателя: с ограниченной пиковой и ограниченной средней мощностью.
Первый режим имеет место при внешней модуляции, второй — при внутренней
модуляции. Особенностью режима с ограниченной средней мощностью
является постоянство произведения мощности импульса на его длительность,
что делает возможным некоторое повышение помехоустойчивости систем
оптической связи за счет увеличения амплитуды импульса путем укорочения
его длительности.
1.9. Эффект Бриллюэна
Стимулированное бриллюэновское рассеяние (SBS – Stimulated Brillouin
Scattering) определяет верхний предел на уровень оптической мощности,
который может быть передан по оптическому волокну. При превышении
определенного уровня оптической мощности, именуемого порогом SBS, в ОВ
возникает акустическая (гиперзвуковая) волна, под воздействием которой
меняется величина рефракционного индекса n. Изменения n вызывают
рассеяние света, приводя к дополнительной генерации акустических волн.
Рисунок 1.33 - Формирование обратной волны из-за эффекта Бриллюэна
В конечном счете, вследствие этого эффекта, возникает волна со
смещенной частотой (волна Стокса – Stokes), распространяющаяся в обратном
направлении к источнику света (рисунок 1.33), в результате чего полезная
передаваемая оптическая мощность ослабляется (рисунок 1.34). Этот эффект
ограничивает предельно достижимую мощность, которая может быть передана
передатчиком в линию. Отметим, что при малых оптических мощностях (т.е. до
порога SBS; см. рисунок 1.34) отраженная световая волна увеличивается прямо
пропорционально уровню подводимой оптической мощности. И только после
превышения порога SBS наступает лавинный процесс увеличения мощности
отраженной волны. Типовое значение порога SBS для линии протяженностью в
10 км составляет 6...10 dBm. Выше этого уровня наблюдается значительное
увеличение потерь ОВ, зависящих от уровня вводимой оптической мощности.
36
Рисунок 1.34 - Соотношение между передаваемой, принимаемой и отраженной
мощностью при проявлении эффекта Бриллюэна
Помимо эффекта снижения полезной мощности возникают и шумы (повышается
относительная интенсивность шума – например, c -155 dB/Гц до -138 dB/Гц),
ухудшающие характеристики BER (вероятность возникновения ошибки).
Особенно важно контролировать SBS в высокоскоростных транспортных
оптических системах, обязательно используя модуляторы с внешней модуляцией
(External modulators) и лазерные источники непрерывной волны (CW – Continuous
Wave). Появляющаяся акустическая волна (с частотой w
; рисунок 1.33) по своей
A
природе является гиперзвуковой, и ее частотный спектр может располагаться до
10 ТГц (1013 Гц). Бриллюэновское частотное смещение определяется по формуле:
. (1.15)
Так, для λ = 1550 нм скорость акустической волны в кварцевом ОВ составляет
и . Часто, для лучшего восприятия физики
процесса частотное бриллюэновское смещение сравнивают с модуляцией
светового потока акустической гиперзвуковой волной или эффектом Доплера.
Графическое представление бриллюэновского смещения приведено на рисунке
1.35.
37
Рисунок 1.35 - Графическое представление бриллюэновского смещения
1.10. Методы модуляции и демодуляции
Процесс модуляции состоит в изменении какого-либо параметра
(амплитуды, частоты, фазы, интенсивности или поляризации колебания не-
сущей частоты) в соответствии с информационным сигналом. Методы
модуляции колебаний оптических частот отличаются от соответствующих
методов для колебаний частот радиодиапазона, прежде всего, из-за
характеристик и ограничений устройств, используемых для осуществления
процесса модуляции, а также из-за ограничений, накладываемых
особенностями оптического излучения. Модуляторы оптического диапазона
осуществляют, как правило, модуляцию оптической несущей по интенсивности
(мощности), в то время как модуляторы радиодиапазона могут осуществлять
модуляцию всех параметров гармонической несущей [2].
В оптических системах передачи несущим колебанием является
оптическое излучение светоизлучающего диода (СИД) или лазерного диода
(ЛД). Специфические параметры, практически неиспользуемые для модуляции
в радиодиапазоне, это интенсивность и пространственная ориентация волны
оптического излучения или ее поляризация.
Так как оптические фотодетекторы непосредственно реагируют только на
интенсивность оптического излучения, то наиболее рационально использовать
модуляцию интенсивности (МИ). При этом мощность оптического излучения Р
изменяется во времени пропорционально модулирующему сигналу c (t), т.е.
Р (t) ~ c (t).
Основной методом модуляции ИКМ-МИ. По сути она представляет
собой преобразование цифрового видеоимпульсного сигнала в
модулированную последовательность оптических импульсов. Условно это
означает, что символу «1» соответствует включенное состояние источника
оптического излучения, а символу «0» - выключенное состояние. Временная
38
диаграмма изменения интенсивности (мощности) такого сигнала во времени
P(t)
1 1 1 0 0
t
Р (t) показана на рисунке 1.36.
\
Рисунок 1.36 - Временная диаграмма изменения интенсивности (мощности)
ИКМ-МИ
Условно модуляция оптического излучения по интенсивности делится на
две группы:
1) внутренняя модуляция, при которой модуляция излучения происходит в
процессе его формирования непосредственно в источнике оптического
излучения, рисунок 1.37 а и рисунок 1.37 б.
2) внешняя модуляция, осуществляемая воздействием на оптическое
излучение вне его источника на оптический модулятор, рисунок 1.37в.
Благодаря простоте реализации наиболее часто применяется внутренняя
модуляция.
Для управления интенсивностью излучения с целью модуляции
интенсивности в ЛД и СИД достаточно изменять величину тока инжекции
(тока накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это несложно
выполнить электронной схемой возбуждения, например, усилителем тока. При
внешней модуляции сигналы, несущие информацию, воздействуют тем или
иным образом на вещество оптического модулятора (ОМ), через который
проходит оптическое излучение после его выхода из СИД или ЛД.
Недостатком передатчиков с прямой модуляцией является наличие паразитной
частотной и амплитудной модуляции, связанных с переходными процессами в
полупроводниковых лазерах. Паразитная частотная модуляция (чирп, от англ.
chirp) приводит к увеличению искажений, связанных с хроматической
дисперсией [2].
39
Модулирующий
сигнал
Модулируемый
источник
оптического
излучения
а)
б)
в)
Модулирующий
сигнал
Активная
среда
Оптический
модулятор
Лазерный
резонатор
Источник
оптического
излучения
Оптический
модулятор
Модулирующий
сигнал
Рисунок 1.37 - Способы модуляции:
а и б - внутренняя модуляция, в - внешняя модуляция
Наибольшее внимание в настоящее время уделяется применению методов
внешней модуляции. Для внешней модуляции необходимо, чтобы
модулирующий сигнал воздействовал на оптическое излучение через
модулятор, представляющий систему, в которой происходит взаимодействие
света с веществом. В таких модуляторах используются кристаллы из материала,
у которых либо показатель преломления, либо поглощение света изменяются
модулирующим сигналом.
Изменение одного из параметров оптического излучения в модуляторах
производится за счет использования физических эффектов, характерных для
оптического диапазона волн. Такими эффектами являются :
электрооптический, при котором изменение оптических свойств
материала осуществляется под воздействием напряженности электрического
поля; модуляторы, использующие этот эффект, называются
электрооптическими модуляторами (ЭОМ);
магнитооптический, при котором изменение оптических свойств
материала осуществляется под воздействием напряженности магнитного поля;
модуляторы, использующие этот эффект, называются магнитооптическими
модуляторами (МОМ);
акустооптический, при котором изменение оптических свойств
материала осуществляется под воздействием внешнего давления, создаваемого
акустическими волнами; модуляторы, использующие этот эффект, называются
акустооптическими модуляторами (АОМ);
электроабсорбционный, при котором поглощение (абсорбция) фотонов
в ряде материалов зависит от приложенного электрического поля; модуляторы,
использующие этот эффект, называются, электроабсорбционными
модуляторами (ЭАМ).
40
Форматы модуляции
Наиболее популярным среди амплитудных форматов остается формат без
возвращения к нулю (NRZ, Non Return to Zero, рисунок 1.38) [8; 10 и 11]. В
этом формате сигнал, соответствующий логической единице, формируется
оптическим импульсом, длительность которого равна периоду следования
символов T = 1/B (где B – скорость передачи). Нулю соответствуют отсутствие
оптического сигнала или сигнал меньшего уровня.
Рисунок 1.38 - Формат NRZ
В формате с «возвращением к нулю» (RZ,Return to Zero, рисунок 1.39)
любой символ «1» представляет собой импульс, длительность которого T
может варьироваться, но всегда меньше T (например, T/2). Чтобы его
сформировать, обычно из импульса NRZ с помощью модулятора Маха –
Цандера вырезается некоторая его часть. В 10 Гбит/с сетях формат RZ получил
широкое распространение из-за его более высокой устойчивости к
нелинейности волокна. Эту особенность можно объяснить тем фактом, что,
когда импульс изолирован (в отличие от NRZ), каждый «1» символ не зависит
от своих соседей. В NRZ, последовательности «1» порождают непрерывные
пакеты световых сигналов, нестабильных при нелинейном распространении в
периферии. Помимо «стойкости» к нелинейным искажениям при
распространении, у сигналов RZ есть дополнительное преимущество – они
более устойчивы к ПМД, чем NRZ-сигналы.
Рисунок 1.39 - Формат RZ
41
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]