ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

тельные шкафы.

Оптические кроссовые устройства (ОКУ)

При построении оптических узлов с большим количеством ОВ от приходящих линейных ВОК (>100) эффективность использования оптических распределительных устройств снижается. Для этой цели начинают лучше подходить специализированные кроссовые устройства, в которых задача коммутации ОВ выходит на первый план при сохранении задачи распределения ОВ. Они различаются емкостью и подразделяются на: оптические кроссы средней плотности − (внешних волокон 120 − 500) и оптические кроссы высокой (сверхвысокой) плотности − (внешних воло-

кон >500).

Оптические кроссовые устройства главным образом применяются для организации центральных оптических узлов с большой концентрацией ОВ. К таким узлам относятся центры телефонной коммутации, центры коммутации магистралей SDH/ATM.

Интерконнект и кросс-коннект

ОКУ могут быть разработаны и установлены в расчете на: интерконнектное (Interconnect) и кросс-коннектное подключение (crossconnect).

Удобство и гибкость при обслуживании кросс-коннектных систем делают их наиболее привлекательными для сложных узлов. Кроссконнектные системы упрощают операции в аварийных и непредвиденных ситуациях, наращивание системы без риска повреждения ОВ и позволяют оперировать только с коммутационными оптическими шнурами. Общая схема подключения приемо-передающего оборудования при использовании оптических кроссовых устройств представлена на рис. 6.24.

Рисунок 6.24 − Схема подключения приемо-передающего оборудования

Элементы связи и ввода оптического излучения в ОВ

ОВ, имеющие различные размеры и форму поперечного сечения, нельзя непосредственно стыковать друг с другом в торец из-за значительных потерь мощности в месте их соединения. Для повышения эф-

171

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

фективности связи таких волноводных структур применяют, как правило, плавные волноводные переходы и оптические согласующие элементы, с помощью которых обеспечивается согласование распределений полей стыкуемых волноводных структур. В качестве внешних оптических согласующих элементов, помещаемых между торцами волноводных структур, могут использоваться различные типы линз и микролинз.

Соединения волоконных и плоских ОВ обычно бывают двух видов. Это либо линзовое соединение (рис. 6.25, а), причем оно может использоваться и при торцевом введении луча в плоский ОВ из воздуха, либо соединение с помощью клиновидного окончания плоского СВ (рис. 6.25, б).

аб

Рисунок 6.25 − Типы связанных ОВ

Помимо стыкового соединения одинаковых плоских ОВ, аналогичного такому соединению волоконных ОВ (рис. 6.24, б, в), часто применяется связь плоских ОВ за счет оптического туннелирования через тонкий промежуточный слой с n = n1 (рис. 6.25, в), причем в этом случае

n0 > n1; n0 > n3; n2 > n1; n2 > n3, а длина участка связи и толщина ОВ подбираются из условия согласования волноводов.

Устройства ввода и вывода излучения из плоских ОВ во внешнюю среду обычно производятся либо с помощью дифракционной решетки либо с помощью призмы [48].

На рис. 6.26 показан принцип работы призменного элемента ввода излучения в планарное ОВ. Здесь падающее поле связано с поверхностной волной через затухающее поле в воздушном зазоре.

Рисунок 6.26 − Призменный элемент связи

172

Введение в радиооптику

На рис. 6.27 показан решеточный элемент ввода, который работает аналогично призменному (см.рис. 6.26), за исключением того, что призма и воздушный зазор заменены решеткой.

Рисунок 6.27 − Решеточный элемент ввода

Часто такая решетка изготавливается в виде пленки фоторезиста, который экспонируется интерференционной картиной от двух противоположно бегущих волн, полученных путем деления и последующего объединения лазерного пучка [49].

В удачных конструкциях элементов связи интенсивности отраженного и прошедшего пучков малы и большая часть энергии вводится в

поверхностную волну. Если отношение d/λa велико, то могут появиться дополнительные (дифрагированные) пучки, которые обычно приводят к нежелательным потерям.

Хотя призма и решеточный элемент связи оказались надежными и наиболее полезными элементами, сообщалось также и о других элементах связи [48].

Принцип работы элемента связи через суживающийся край показан на рис. 6.28.

Рисунок 6.28 − Элемент связи через суживающийся край тонкой пленки

173

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Данный элемент представляет собой тонкую пленку на подложке, которая на конце суживается, поэтому поверхностная волна, падающая на суживающийся край, продолжает распространяться зигзагообразно, но угол падения на границу раздела пленка – подложка уменьшается по мере того, как суживается край пленки. В результате в некоторой точке Р угол падения становится меньше, чем критический угол полного отражения, и, следовательно, световая энергия начинает в результате преломления попадать в подложку. За счет последующих лучей эта энергия возрастает, так что в конечном итоге большая часть падающей энергии преобразуется в выходящий пучок.

Другой вариант элемента связи, описанный в работе [48], основан на голографических методах. Принцип его работы показан на рис. 6.29. Поверхностная волна А падает на тонкопленочный волновод и с помощью решетки или другим способом преобразуется в пучок волны утечки А′.

Этот пучок А′ используется совместно с лазерным пучком R для записи голограммы. Последующее освещение голограммы пучком А′ будет создавать восстановленный пучок R. С другой стороны, освещая голограмму сопряженным опорным пучком R*, можно восстановить пучок А′; этот пучок волны утечки, взаимодействуя со структурой волны утечки, формирует поверхностную волну, аналогичную исходному падающему полю А. Главное преимущество такой голографической схемы состоит в том, что решетка, создающая поле волны утечки, вовсе не обязательно должна быть регулярной.

Рисунок 6.29 − Голографический метод связи

Теоретически случайные неровности (фактически это могут быть царапины на пленке) могут образовать рассеянное поле А′. Это возможно благодаря тому, что голографический процесс самонастраивается и поэтому воспроизводит пучок R или А независимо от точного распределения нерегулярно рассеянного поля А′. Конечно, практические требования (такие, как необходимость наибольшего освещения

174

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

ячейку Поккельса), можно регулировать фазовую расстройку за счет линейного электрооптического эффекта.

Еще одна реализация разветвителя-коммутатора 2×2, состоящая из двух последовательных Х-разветвителей, представлена на рис. 6.31. Оптические сигналы после прохождения по разным плечам интерферируют во втором разветвителе. Путем изменения напряжения на электродах, охватывающих одно из плеч, можно регулировать разность фаз между приходящими во второй разветвитель сигналами и тем самым влиять на характер интерференции.

Ячейка V Поккельса

Рисунок 6.31 − Разветвитель-коммутатор 2×2

Наряду с электрооптическим эффектом, для осуществления коммутации также широко используется акустооптический эффект.

Имеется ряд технических реализаций пространственных коммутаторов 2×2 на основе полупроводниковых оптических усилителей.

Оптические разветвители

Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель (coupler, другое название splitter).

Они широко используются при построении распределенных во- локонно-коаксиальных сетей различного назначения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей (all-optical networks).

Вобоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно дороже.

Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами.

Различают направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные.

Вдвунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.

Оптические разветвители подразделяются на: древовидные разветвители; звездообразные разветвители; ответвители.

176

Введение в радиооптику

Древовидный разветвитель осуществляет расщепление одного входного оптического сигнала на несколько выходных, или выполняет обратную функцию − объединение нескольких сигналов в один выходной

(рис. 6.32, а).

Обычно древовидные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами. Конфигурация полюсов обозначается как n×m, где n − число входных полюсов (для древовидного разветвителя n − 1), а m − число выходных полюсов, когда устройство работает в режиме расщепления. В поставляемых в настоящее время моделях количество выходных портов может находиться в пределах от 2 до 32. Большинство древовидных разветвителей полностью двунаправленные. Поэтому разветвитель может выполнять функцию объединения сигналов.

Рисунок 6.32 − Типы разветвителей: а − древовидный разветвитель; б − звездообразный разветвитель; в – ответвитель

Звездообразный разветвитель обычно имеет одинаковое число входных и выходных полюсов. Оптический сигнал приходит на один из n входных полюсов и в равной степени распределяется между n выходными полюсами. Большее распространение получили звездообразные разветвители 2×2 и 4×4. Звездообразные разветвители распределяют мощность в равной степени между всеми выходными полюсами рис. 6.32 (б).

Ответвитель − это обобщение древовидного разветвителя, когда выходная мощность распределяется необязательно в равной пропорции между выходными полюсами, рис. 6.32 (в). Конфигурации ответвителей бывают от 1×2 до 1×32. Некоторая доля (меньше 50 %) выходной мощности идет на канал (каналы) ответвления, в то время как большая часть остается в магистральном канале. Выходные полюса нумеруются в порядке убывания мощности.

Разветвители характеризуются следующими параметрами:

− Коэффициенты передачи или вносимые потери (insertion loss)

177

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

определяют потери мощности сигнала, который приходит на один из входных полюсов и выходит с одного из выходных полюсов.

−Коэффициент направленности является мерой того, как хорошо разветвитель передает мощность в предназначенные выходные полюса. Он показывает интенсивность нежелательного обратного сигнала, возникающего на другом полюсе из входной группы полюсов.

−Потери на обратном рассеянии − этот коэффициент схож с коэффициентом обратных потерь в оптических соединителях.

Коэффициенты передачи принимают положительные значения и характеризуют эффективность передачи в прямом направлении. Коэффициенты направленности и потерь на обратном рассеянии принимают отрицательные значения и характеризуют нежелательные обратные сигналы.

−Полные избыточные потери − этот параметр − общая характеристика работы разветвителя.

−Рабочий диапазон длин волн (passband) − диапазон длин волн, в пределах которого определена работа разветвителя. Чем шире диапазон, тем меньше зависимость вносимых потерь разветвителя от длины волны.

−Потери на разветвлении (splitting loss) − связаны с естественным распределением мощности между выходными полюсами. Это − минимальное значение, присущее идеальному разветвителю с симметричными выходными полюсами.

Соотношение разветвления (splitting ratio) описывает, каким образом свет распределяется между выходными полюсами (в виде процентной пропорции мощностей по выходным полюсам).

Перейдем к рассмотрению основных активных устройств оптических приемников, которые могут являться элементами радиооптических систем связи.

178

Введение в радиооптику

7 УСТРОЙСТВА И МЕТОДЫ ФОТОПРИЕМА

7.1 Линейная часть фотоприемного тракта

Фотоприемники и приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами оптических систем. Их функция − преобразование оптического сигнала, принятого из свободного пространства или ОВ, в электрический (последний обрабатывается далее электронными устройствами). Основными функциональными элементами фотоприемников и ПРОМ являются:

−фотоэлемент, преобразующий полученный оптический сигнал

вэлектрическую форму;

−каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную для обработки;

−демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигна-

ла.

Выходящий электрический сигнал от фотоприемного элемента усиливается каскадом электронных усилителей и, возможно, испытывает определенную обработку. Основные функции, которые выполняет ПРОМ на этом этапе: электронное предусиление и усиление, выравнивание, фильтрация, дискриминация, синхронизация и работа таймера.

Электронное предусиление и усиление. Типовое значение опти-

ческого сигнала на входе фотоприемного элемента составляет 1 − 10 мкВт, а иногда и меньше. Если такой сигнал обрабатывается р-i-n- фотодиодом с токовой чувствительность от 0,6 до 0,8 А/Вт, то выходной ток составит несколько микроампер, и необходимо последующее его усиление. Допускается одна или несколько стадий усиления. Обычно усилитель на первой стадии называется предусилителем. Его особенностью является низкий уровень вносимых шумов. Далее следует усилитель мощности.

Выравнивание. Прием и усиление сигнала может несколько изменять обрабатываемый сигнал. Например, каскад электронных усилителей, принимающий широкополосный аналоговый сигнал, может иметь разный коэффициент усиления для высоких и низких частот. Чтобы восстановить правильное соотношение амплитуд в низкой и высокой областях спектра, необходимо добавить цепь выравнивания сигнала.

Фильтрация позволяет увеличить соотношение с/ш посредством избирательного (в определенных диапазонах частот) подавления шума. Часто, таким образом, можно подавить высокочастотные гармоники шума, заведомо зная, что полезный сигнал не распространяется в этой области спектра.

179

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как к обработке аналогового, так и цифрового сигнала, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов в ВОСС. Из-за наличия дисперсии при распространении света по ОВ фронты импульсов теряют первоначальную прямоугольную форму. Для восстановления их и предназначена цепь принятия решения или дискриминатор, который имеет заданный порог срабатывания. Если амплитуда поступающего на него сигнала меньше порога, то на выходе имеем 0, если же превосходит порог − 1. Главным недостатком такой регенерации цифрового сигнала является не соблюдение длительности импульсов. Чем меньше амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала, тем короче могут быть импульсы, соответствующие единичному сигналу на выходе дискриминатора. Низкое значение порога также не желательно, поскольку можно ошибочно принять шум за полезный сигнал.

Для того, чтобы сохранялась длительность импульсов на выходе дискриминатора, необходимо, чтобы дискриминатор получал информацию о частоте, с которой должны следовать импульсы.

Рабата таймера. Основная функция таймера − это подавление ресинхронизации сигнала. Традиционный цифровой сигнал генерируется на характерной частоте (10−6 с). По мере передачи и ретрансляции сигнала случайные временные ошибки могут накапливаться и достичь уровня, сравнимого с длительность самого импульса. В результате приемник ошибочно может интерпретировать принятый бит или "потерять" бит. Такие случайные временные ошибки получили название джитер (jitter, дрожание). Их появление характерно при синхронном режиме передачи. Уменьшить джитер можно, повысив требования к стандарту частоты генератора импульсов. Однако если приемник имеет свой собственный таймер, то при длительном приеме будут проскакивать ошибки вследствие наличия джитера.

Дальнейшее уменьшение ошибок из-за джитера достигается в более современной технологии магистральных оптических сетей, основанных на так называемой синхронной цифровой иерархии SDH. В SDH при синхронной передаче в битовом потоке наряду с полезной информацией присутствуют специальные синхроимпульсы, по которым настраивается таймер приемника. В сложной сети SDH существует один независимый ведущий таймер (master clock), на который равняются другие устройства сети.

Достаточно полное использование возможностей, заложенных в чувствительном элементе фотоприемника, достигается только при правильном согласовании его параметров с усилительным трактом. Поэтому

180