ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

от входной оптической мощности. Это справедливо до тех пор, пока входной сигнал не превышает определенного значения, которое называется насыщением ФП или ПРОМ. В цифровых системах работа каскада усилителей в нелинейной области не столь опасна, однако при больших входных оптических сигналах могут проявляться "хвосты" фототока, остающиеся даже тогда, когда на ФП уже не подается сигнал. В такой ситуации нулевой сигнал на входе, следующий непосредственно за единицей, может неправильно интерпретироваться, что приводит к росту частоты появления ошибок. Насыщением цифрового ФП или ПРОМ называется максимальная входная мощность, выше которого BER начинает превосходить максимально допустимую величину для данного приложения.

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном ПPOM.

Максимально допустимое обратное напряжение Uоб – это напряжение, превышение которого может привести к пробою ФП и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители ФП могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики ФП.

Рабочий диапазон температур (оС). Есть две характеристики, на которые сильно влияет изменение рабочей температуры ФП.

Во-первых, это квантовая эффективность, которая может вести себя в общем случае довольно сложным образом с изменением температуры. Напримеp, нa рис. 7.6 (а) показана зависимость квантовой эффективности ФД на основе кремния.

а) б)

Рисунок 7.6 − Зависимость квантовой эффективности ФД на основе кремния

По горизонтальной оси отложена длина волны падающих фотонов, по вертикальной - относительное процентное изменение квантовой

191

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

эффективности при увеличении температуры нa 1 градус. Из рисунка видно, что если длина волны меньше 600 нм, то с ростом температуры квантовая эффективность падает, а при λ > 600 нм квантовая эффективность увеличивается с ростом температуры.

Во–вторых, рост температуры приводит к экспоненциальному росту термических возбужденных электронно-дырочных пар, в результате чего также экспоненциально возрастает темновой ток, рис. 7.6 (б). Утечка тока удваивается при повышении температуры на 8 − 10 оС.

Наработка на отказ (тыс. часов). При правильной эксплуатации ресурс ФП значительно выше, чем у светоизлучающих диодов.

7.3 Методы фотоприема Прямой фотоприем

В классической схеме построения ВОСС непосредственного приема оптических сигналов (с модуляцией по интенсивности) детектируемый ФД ток после усиления малошумящим усилителем и фильтрации, для уменьшения влияния шумов поступает на схему принятия решений – порогового устройства (ПУ), рис. 7.7 [9, 10].

Принятие решений реализуется устройством восстановления синхроимпульсов (УВСН).

Основным показателем качества ФП является отношение с/ш, который на выходе ФД есть среднеквадратичное значение флуктуаций (дисперсии) выходного тока и определяется по формуле Шотки. Дополнительным источником шума в ФП является тепловой шум, обусловленный активным сопротивлением нагрузки.

УВСН СИ

Рисунок 7.7 − ВОСС непосредственного приема оптических сигналов

В случае непосредственного оптического приема сигналов с аналоговой модуляцией ФП содержит (рис. 7.8) собственно ФД, усилитель переменной составляющей выходного тока и фильтры, отделяющие составляющие спектра сигнала от шумов.

Оптическое предусиление светового сигнала лазерными усилителями, вследствие шумов последних, не дает значительного увеличения чувствительности и не оправдывает затрат.

192

Введение в радиооптику

Рисунок 7.8 − Система непосредственного приема сигналов с аналоговой модуляцией

Особый интерес представляют системы оптической связи, использующие предварительную модуляцию поднесущей частоты передаваемым сигналом, рис. 7.9. При этом информационный электрический сигнал поступает на модулятор (М), где происходит первая операция − модуляция поднесущей частоты по амплитуде, либо по фазе или частоте. Затем промодулированная поднесущая частота поступает на оптический излучатель, где происходит вторая операция – модуляция интенсивности оптического излучения.

Рисунок 7.9 − Системы оптической связи, использующие предварительную модуляцию поднесущей

Впринципе это известный метод повышения отношения с/ш и снижения нелинейных искажений, вносимых оптическими излучателями, при условии обеспечения хорошей линейности характеристик модуляторов и демодуляторов (ДМ). Можно показать, что АМ с последующей модуляцией интенсивности менее предпочтительна по сравнению с другими видами модуляции и кроме того, при ЧМ и использовании схем коррекции предискажений получается отношение с/ш на 15 дБ больше, чем при прямой модуляции интенсивности.

Оптический гетеродинный прием

Когерентный прием (в ВОСС и ЛАСС), в котором применяется гетеродинное и гомодинное оптическое преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемый по промежуточной частоте. При оптическом гетеродинировании

на входе фотоэлемента смешиваются сигнал мощностью Рс и излучение гетеродина мощностью Рг. Смешение осуществляется с помощью оптического устройства, к которому предъявляются жесткие требования, обеспечивающие точное совмещение волновых фронтов [10].

Впроцессе оптического гетеродинирования происходит усиление сигнала, которое приводит к тому, что основным становится дробовой шум, обусловленный излучением гетеродина, так как мощность

193

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

его превосходит мощность других потоков. Коэффициент усиления гетеродинного преобразователя – отношение мощности на промежуточной частоте, рассеиваемой на входном сопротивлении усилителя, к мощности оптического сигнала – может быть большим при использовании мощного гетеродина.

В идеальном случае гетеродинного приема минимально обнаружимый сигнал определяется выражением

Рсмин = (c / ш)hν ηF ∆f ,

при с/ш = 1, η = 1, F(M) = 1 получим Pc мин = hν∆f , т.е. реализуется чув-

ствительность, равная теоретическому пределу, определяемому фотонным шумом.

Как видно из выражения для Рс.мин большая мощность гетеродина необходима не только для получения высокого коэффициента усиления, но и для эффективного «подавления» тепловых шумов. Для гетеродинного приема характерна линейная зависимость Рс.мин от ширины полосы. Это обстоятельство снижает принципиальные преимущества гетеродинного приема при большой ширине полосы. Например, при f = 1 МГц минимально регистрируемая мощность увеличивается на 6 порядков по сравнению с мощностью для единичной полосы, в то время как при прямом приеме Рс.мин возрастает лишь на 3 порядка. При оптическом гетеродинировании сохраняется информация о частоте и фазе сигнала, т.е. возможна фазовая модуляция принимаемого излучения. Для гетеродинных систем характерна малая угловая апертура (ограничение дифракцией).

В ВОСС на передающей стороне излучение оптического передатчика (ОП) проходит оптический вентиль (В) и электрооптический мо-

дулятор (М), управляемый информационным сигналом (рис. 7.10). При этом на выходе необходимо иметь оптический сигнал, спектральная полоса которого максимально узкая, чтобы эффективность гетеродинирования была наилучшей. В частности, при гетеродинном приеме цифровых АМ, ЧМ и ФМ сигналов отношение ∆λВ−1 (∆λ − спектральная полоса оптического излучателя, В – полоса частот принимаемого полезного сигнала) должно составлять 10−2 − 5 1−3, а при гомодинном приеме ФМ оно равно 0,5 10−3. При использовании одномодового ОВ на приемной стороне необходимо устанавливать поляризационный контроллер (ПК), совмещающий плоскость поляризации местного оптического гетеродина (Гет) с плоскостью поляризации сигнального излучения.

В оптическом гетеродинном приемнике сигнал суммируется в оптическом соединителе (ОС) с излучением оптического гетеродина и подается на квадратичный ФД (рис. 7.10).

194

Введение в радиооптику

Излучение гетеродина, как и лазера передатчика, должно быть узкополосным, тогда в результате нелинейного преобразования суммарного сигнала ФД на его выходе появляется сигнал промежуточной частоты. Демодуляция сигнала промежуточной частоты осуществляется синхронным или несинхронным демодулятором (ДМ) или в случае цифровой ФМ – фазоразностной схемой.

Рисунок 7.10 − Схема оптического гетеродинного ФП

Контур автоподстройки частоты (АПЧ) обеспечивает регулировку частоты лазерного гетеродина (Гет) и удержания значения разностной частоты в пределах частотной полосы усилителя промежуточной частоты, следующего за ФД и ДМ.

В отличие от гетеродинного при гомодинном методе приема (рис. 7.11) частоты колебания принимаемого оптического излучения и местного оптического гетеродина должны быть одинаковы, а фазы синхронизированы. При этом демодулированный сигнал на выходе ФД имеет частотный спектр, сдвинутый в область низких частот и полное восстановление сигнала осуществляется фильтром низкой частоты (ФНЧ). Главным отличием гомодинного приема от гетеродинного является уменьшенная в 2 раза требуемая полоса частот, что снижает дисперсии шумов также в 2 раза. При этом отношение с/ш оказывается лучше в 2 раза, а это существенно увеличивает чувствительность ФП.

fг = fc

Гет

Рисунок 7.11 − Система гомодинного фотоприема

Из описания схем когерентных ВОСС следует, что к целому ряду элементов системы предъявляются высокие технические требования, они конструктивно сложны и дороги. Однако здесь есть и неоспоримые достоинства: чувствительность гетеродинных и гомодинных приемных устройств ограничивается только уровнем дробовых шумов излучения гете-

195

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

родина, которая приближается к квантовому пределу детектирования в оптическом диапазоне. По чувствительности такие устройства превосходят реальные приемные устройства прямого детектирования на 10 − 20 дБ (в зависимости от схемы модуляции − демодуляции). Используется перспективная техника модуляции-демодуляции в частности ЧМ и ФМ, фазоразностный прием с известными из радиотехники преимуществами этих методов модуляции, что в конечном счете, улучшает чувствительность приемного устройства. Сочетание этих систем и спектрального разделения каналов позволяет достаточно полно использовать окно прозрачности (0,9 − 1,35; 1,45 − 1,7 мкм) с малыми потерями в ОВ, а высокая спектральная селективность оптического когерентного детектирования дает возможность применять полупроводниковые оптические усилители с улучшенными шумовыми характеристиками и осуществлять каскадирование усилителей.

Перечисленные достоинства когерентных ВОСС позволяют увеличить расстояние между оптическими ретрансляторами до 100 км (на λ=

=1,55 мкм), а между электронными регенеративными ретрансляторами до

104 км.

Существует и ряд ФП использующих радиоволновое гетеродинирование для приема световых сигналов с поднесущей [50 − 59].

7.4 Усилители фотоприемных устройств

В ПРОМ в качестве предварительных усилителей применяются в основном два типа усилителей: интегрирующие и трансимпедансные [20, 60]. Схема интегрирующего усилителя приведена на рис. 7.12 (а). Входная цепь интегрирующего усилителя (ИУ) выполняется с использованием затвора полевого транзистора.

а) б)

Рисунок 7.12 − Схема интегрирующего усилителя и элементы входной цепи

Элементы входной цепи фотоприемного устройства представлены на рис. 7.12 (б) как эквивалентные (RЭ, СЭ). Достоинства схемы фото-

196

Введение в радиооптику

приемного устройства с интегрирующим (еще называемым высокоимпедансным) усилителем состоят в том, что может быть получена (благодаря коррекции) любая полоса пропускания, малые шумы, простота схемы для реализации, технологическая совместимость фотоэлемента и усилителя.

Недостатки этой схемы связаны с ограниченным динамическим диапазоном по входному сигналу и необходимостью индивидуального корректирования полосы частот усиления.

Схема трансимпедансного усилителя отличается от рассмотренной наличием отрицательной обратной связи (рис. 7.13, а).

На рис. 7.13 (б) представлена принципиальная схема входной цепи ФПУ с трансимпедансным усилителем (ТИУ).

Полоса частот пропускания фотоприемного устройства с ТИУ определяется из соотношения

при условии, что ROC << RЭ. Таким образом, выбором значений К и RОС может быть достигнута требуемая полоса частот усиления.

Достоинствами фотоприемного устройств с ТИУ являются: большой динамический диапазон входных сигналов; простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров; простота настройки схемы.

Недостатками схемы являются: возможная неустойчивость работы усилителя при разной глубине обратной связи в широкой полосе частот; уменьшенное соотношение с/ш на выходе усилителя из-за дополнительно шумящего сопротивления RОС.

а) б)

Рисунок 7.13 − Схемы трансимпедансного усилителя и входной цепи

Необходимо заметить, что в случае применения p-i-n-фото- диодов порог чувствительности определяется шумами схемы усилителя. При этом шум полевого транзистора существенно меньше шума биполярного транзистора, однако биполярный транзистор обеспечивает лучшую передачу энергии высоких частот. В случае использования ЛФД

197

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

шум схемы усилителя имеет меньшее значение, а при больших коэффициентах М (лавинного умножения) совсем не влияет на порог чувствительности фотоприемного устройства.

В процессе оптического гетеродинирования происходит усиление сигнала, которое приводит к тому, что основным становится дробовой шум, обусловленный излучением гетеродина, так как мощность его превосходит мощность других потоков. Коэффициент усиления гетеродинного преобразователя − отношение мощности на промежуточной частоте, рассеиваемой на входном сопротивлении усилителя, к мощности оптического сигнала − может быть большим при использовании мощного гетеродина.

7.5 Оптические повторители, усилители и ретрансляторы ВОСС

В ВОСС значительной протяженности все чаще, по сравнению с электронными схемами усиления и восстановления сигналов используются оптические усилители. Это активные устройства, увеличивающие амплитуду и ширину спектра сигналов и способствующие поддержанию мощности сигналов на должном уровне при прохождении ими больших расстояний. К сожалению, они наряду с сигналами усиливают также шу-

мы и искажения [20, 21, 61 − 66].

Различают три типа усилителей, в зависимости от участков сети, на которых они располагаются. Для усиления сигнала перед тем, как он поступит в сеть, непосредственно за передатчиком устанавливаются постусилители. Для компенсации ослабления сигналов периодически в ВОЛС устанавливают линейные усилители. Предусилители, назначением которых является усиление сигнала до уровня мощности в пределах чувствительности приемного устройства, размещаются непосредственно перед приемником.

Повторители и оптические усилители ВОСС

Хорошо известно, что через каждые 50 − 100 км ВОЛС происходит ослабление оптического сигнала на 10 − 20 дБ, что требует его восстановления [21]. До начала 90-х гг. в действующих линиях связи единственным способом компенсации потерь в линии было применение регенераторов. Регенератор − это сложное устройство, включающее в себя как электронные, так и оптические компоненты. Регенератор преобразует световой сигнал в электрический, распознает его и производит электронное восстановление первоначальной формы сигнала, а затем вновь излучает оптический сигнал, передаваемый дальше по ОВ. Пропускная способность сети или линии дальней связи с регенераторами ограничена возможностями электроники (на сегодняшний день предельная скорость

198

Введение в радиооптику

обработки сигналов для электроники порядка 40 Гбит/с, а в 1986 г. она не превышала 1 Гбит/с). Интенсивные исследования (1985 − 1990 годах), ряд открытий и изобретений привели к появлению технически совершенных промышленных эрбиевых усилителей (Erbium-Doped Fiber Amplifier − EDFA). Усилители на ОВ, легированном ионами эрбия (Er-doped fiber), обладают сочетанием уникальных свойств, обеспечившим им быстрое внедрение в системы дальней связи. Среди этих свойств следующие: возможность одновременного усиления сигналов с различными длинами волн; непосредственное усиление оптических сигналов, без их преобразования в электрические сигналы и обратно; практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь ОВ на основе кварцевого стекла; низкий уровень шума и простота включения в ВОЛС.

В общем случае, ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала, и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки − такой ретранслятор называется регенеpaтopoм.

Типы ретрансляторов

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на повторители и оптические усилители.

Ретрансляторы детектируют оптические сигналы, преобразуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств.

Повторители занимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и регенераторами. С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.

Электронно-оптический повторитель сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразует обратно в оптический сигнал. То есть его можно представить как последовательно соединенные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала и вместе с полезным сигналом усиливает входной шум. При цифровой передаче повторитель вместе с функцией усиления выполняет функцию регенерации сигнала, поэтому блок регенерации содержит цепь принятия решения и таймер.

В блоке регенерации восстанавливается прямоугольная форма импульсов, устраняется шум, ресинхронизируется передача так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты.

199

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Повторитель может не содержать таймера и не восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу, независимо от того, на какой скорости ведётся передача. Такие "средонезависимые" повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

В локальных ВОСС повторители распространены больше, чем оптические усилители, хотя при построении оптических магистралей оптические усилители незаменимы.

Хотя повторители для цифровых линий связи могут быть независимыми от среды, большинство из них рассчитано на вполне определенный стандарт. В локальных сетях распространены повторители, преобразующие сигналы из многомодового в одномодовое ОВ. Такие повторители получили название конвертеры. Широко распространены FDDI (100

Мбит/с) [67, 68], АТМ (155 Мбит/с), АТМ (622 Мбит/с) [69] sm/mm кон-

вертеры.

Оптические усилители

Усилители являются устройствами, увеличивающими амплитуду и ширину спектра сигналов и способствуют поддержанию мощности сигналов на должном уровне при прохождении ими больших расстояний. К сожалению, они наряду с сигналами усиливают также шумы и искажения.

Различают три типа усилителей, в зависимости от участков сети, на которых они располагаются. Для усиления сигнала перед тем, как он поступит в сеть, непосредственно за передатчиком устанавливаются постусилители.

Оптический усилитель (ОУ) не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала, рис. 7.14. ОУ не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала и в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум, добавляя к последнему и собственный шум.

Простота конструкции, в которой преобладают пассивные компоненты и высокая надежность должны обеспечить низкую цену, так как число компонентов в ОУ меньше, чем в повторителе. Но реально цена ОУ сегодня выше повторителей и будет падать только с увеличением рынка продаж. Надежность ОУ является главным преимуществом при создании ретрансляторов для подводных ВОЛС. Кроме того, ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как повторитель обычно исполняется для работы на определенной скорости, на которую конфигурируется таймер повторителя.

200