Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) кремниевого диода, имеющего токовый отклик 0,5 A/Вт, приведены на рисунке 7.7. Если на диод подано напряжение обратного смещения, то говорят, что он работает в фотодиодном (фотовентильном) режиме. В этом случае выходной ток пропорционален оптической мощности. Когда обратное смещение отсутствует, то, как показано на рисунке, принимаемая оптическая мощность приводит к возникновению на выводах диода прямого напряжения смещения. Это фотогальванический режим, являющийся основным для солнечных элементов, которые вырабатывают электрическое напряжение при облучении светом. Детекторы в системах волоконной связи работают в фотодиодном режиме.

Даже при отсутствии оптической мощности через обратносмещенный диод течет малый обратный ток. Его называют темновым током. Он обозначен символом I_т на рисунке 7.7. Темновой ток вызван тепловой генерацией свободных носителей заряда в диоде. Он течет во всех диодах, где традиционно называется обратным током утечки. Максимальное его значение, наблюдаемое при больших отрицательных напряжениях, является обратным током насыщения. Темновой ток, имеющий тепловую природу, быстро увеличивается с температурой, практически удваивая свое значение на каждые 10C увеличения температуры. Значения темновых токов составляют от долей наноампер до нескольких сотен наноампер. Кремниевые детекторы имеют самые низкие темновые токи. В диодах из InGaAs они несколько больше, а германиевые диоды обладают самыми большими темновыми токами. В этом одна из главных причин, почему кремниевые фотодиоды предпочитают германиевым в области длин волн, где их токовые отклики сравнимі.

Очевидно, что слабый оптический сигнал не может быть обнаружен детектором, потому что малый фототок, который он генерирует, маскируется большим темным током.

Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод (ЛФД) – это полупроводниковый детектор на основе p–n-перехода, имееющий внутренний коэффициент усиления, который увеличивает значение токового отклика по сравнению с p–n- или p–i–n-приборами. Наличие усиления в ЛФД делает его похожим на вакуумный фотоумножитель. Коэффициент лавинного усиления, однако, является намного меньшим, чем в ФЭУ, и ограничен значениями в несколько сот или менее. Однако, наличие внутреннего усиления делает лавинные фотодиоды намного более чувствительными детекторами, чем p–i–n-диоды. Как было упомянуто в подразделе 7.2, внутреннее усиление приводит к намного большему отношению сигнал/шум, чем получаемое с помощью внешнего усиления. Это будет показано в главе 11.

Лавинное умножение происходит следующим образом. Поглощенный в обедненной области фотон, создает свободный электрон и свободную дырку. Высокое электрическое поле, существующее в обедненной области, заставляет носителей заряда ускоряться, что увеличивает их кинетическую энергию. Когда быстро движущиеся заряды сталкиваются с нейтральными атомами, они создают дополнительные электронно-дырочные пары, т.е. часть их кинетической энергии используется, чтобы сообщить связанным электронам энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны. Один ускоренный заряд может сгенерировать несколько вторичных. Вторичные заряды также могут ускоряться и создавать еще большее количество электронно-дырочных пар. Это явление называется лавинным умножением.

Лавинные фотодиоды обычно являются модификациями p–i–n-диодов. Используемые материалы и области спектральной чувствительности, являются одинаковыми. Один из вариантов ЛФД, называемый “диодом с проникновением поля”, показан на рисунке 7.13. Здесь p⁺– и n⁺–слои являются высоколегированными низкоомными областями, на которых происходит очень малое падение напряжения. –область слегка легирована, т.е. имеет почти собственную проводимость. Большинство фотонов поглощаются в этом слое, создавая электронно-дырочные пары. Как показано на рисунке, фотоэлектроны двигаются в p-область, которая обеднена свободными носителями заряда вследствие большого обратного напряжения смещения.

19. Измерительное оборудование ВОСП удобно классифицировать по области спектра – оптическая, электрическая (временная и частотная) в которой выполняются измерения, а также по области его использования - строительство, монтаж, эксплуатация.

Приборы для оптической области спектра либо генерируют оптический измерительный сигнал (стабильные источники излучения), либо ослабляют сигнал (аттенюаторы), либо измеряют параметры оптического излучения, например, мощность (измерители оптической мощности). Тестеры, мультиметры и измерители оптических потерь – это приборы, в состав которых входят и источники излучения, и измерители оптической мощности, а также другие устройства. Перечисленные приборы могут работать на фиксированной волне, либо перестраиваться по спектру. Анализаторы спектра используются для спектральных параметров сигналов и устройств.

В электрической части спектра измерения проводятся в частотной или временной области. Приборы для анализа в частотной области используют оптоэлектрическое или электрооптическое преобразование для исследования характеристики пассивных и активных устройств ВОСП в зависимости от частоты модуляции. Измерители параметров компонент применяются для исследования характеристик электрооптических (ИИ, ПОМ) или оптоэлектронных (ПИ, ПРОМ) компонент и модулей, например, амплитудно-частотной характеристики. Генераторы стандартных оптических сигналов создают аналоговые либо цифровые испытательные сигналы. Измерители параметров оптических сигналов необходимы для исследования параметров оптического излучения.

Приборы для измерений во временной области применяются для исследования временных параметров электрических сигналов на входе (выходе) оборудования ВОСП, исследования глаз-диаграмм, фазового дрожания (джиттера) и др.

Функциональные тестеры измеряют параметры цифровых потоков в оборудовании синхронной цифровой иерархии (СЦИ) либо АТМ (режим асинхронной передачи).

При строительстве, монтаже и эксплуатации ВОСП используются рефлектометры ближнего и дальнего действия, а также измерительные наборы (источник излучения + аттенюатор регулируемый + измеритель оптической мощности). При эксплуатации оптических сетей связи применяют стационарные (расположенные в центре обслуживания сети) системы дистанционной диагностики параметров компонентов оптического линейного тракта, например, оптических усилителей. Они бывают оно- и двустороннего действия.

Стабилизированные источники излучения

В СИИ используются три типа излучателей: лазерные, светодиодные и белого света на основе вольфрамовой лампы накаливания. Иногда в качестве источника используют оптический сигнал линейного оборудования ВОСП.

Лазерные СИИ имеют: большую мощность излучения; узкий спектр излучения (монохроматичность), высокую степень когерентности; большие нелинейные искажения; высокую стоимость и сильную температурную зависимость параметров (три последних качества негативные). Лазерные СИИ целесообразно использовать для измерения потерь в протяженных одномодовых ОК.

Светодиодные СИИ обладают: 1) меньшей вводимой в ОВ мощностью излучения; боле широким спектром (40…200 нм); 2) лучшей линейностью и температурной стабильностью параметров при невысокой стоимости. Светодиодные СИИ чаще применяют для измерения потерь в многомодовых волокнах в ВОСП небольшой протяженности (локальных), а в длинных линиях они могут вызвать значительную хроматическую дисперсию сигналов.

Источник белого света является альтернативным СД и дешевым источником излучения с широким спектром, показанном на рис.8.4. В сочетании с кремниевым ФД он может быть использован для измерения потерь в ОВ на длине волны 850 нм, а в сочетании с ФД на основе InGaAs – на длине волны 1300 нм. Источники белого света могут использоваться для спектральных измерений (совместно с монохроматором), а также измерений не требующих высокой точности. Они применяются для визуального контроля целостности волокна (без опасности повреждения глаз, которая существует при использовании лазерных ИИ).

20. Имеется две основных причины снижения качества сигнала в процессе приема – это наличие дробового шума в приходящем сигнале и теплового (или дробового) шума^ в приемном устройстве.

Тепловой шум

Тепловой шум возникает в резисторе нагрузки фотоприемника R_н. Электроны внутри любого резистора (проводника) при температуре, отличной от температуры абсолютного нуля никогда не остаются стационарными. Вследствие сообщаемой им тепловой энергии они непрерывно перемещаются,

даже без приложения внешнего напряжения. Движение электронов произвольно, как и результирующий поток зарядов к одному или другому электроду в некоторый момент времени. Таким образом, в резисторе существует случайно изменяющийся ток, как показано на рисунке 6.1. Его называют током теплового шума – i_шт. Его среднее значение равно нулю. Средняя мощность шума, генерируемого резистором равна , где – среднеквадратическое значение тока теплового шума (пунктирная линия на рисунке 6.1,б). Шумовой ток добавляется к току сигнала, генерируемого фотоприемником. Рисунок 6.2 иллюстрирует ситуацию, когда постоянная оптическая мощность P поступает на фотоприемник. Вместо того, чтобы оставаться постоянным с величиной i = eP/h, ток в нагрузке фотоприемника случайным образом флюктуирует вблизи этой величины. Когда падающая мощность настолько мала, что токи сигнала и шума имеют сравнимые амплитуды, сигнал маскируется шумом. Даже при умеренных значениях оптической мощности, ток сигнала может быть недостаточно большим (относительно шумового тока), для обеспечения требуемого качества приема.

Присутствие теплового шума моделируется эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.3. Здесь R_н – идеальный (не шумящий) резистор. Шум учтен эквивалентным источником тока со среднеквадратическим значением

, (6.1)

где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура (K) и f – электрическая ширина полосы пропускания приемного устройства, значение которой ограничивают элементы его схемы. Из-за ограниченной ширины полосы пропускания усилителей и наличия шунтирующих емкостей высокочастотные составляющие сигнала в спектре сигнала ослабляются. Для обработки всего передаваемого сообщения, ширина полосы пропускания приемного устройства должна быть равна полосе частот информационного сигнала. Обычно ширину полосы пропускания приемного устройства ограничивают, чтобы минимизировать шум. Малошумящие приемные устройства имеют ширину полосы пропускания, немного большую, чем удвоенная ширина полосы информационного сообщения. Иногда необходимо большее значение ширины полосы пропускания приемного устройства, чтобы выяснить, что ограничивает ширину полосы сигнала – передающее устройство или волокно.

Соотношение (6.1) подразумевает, что спектр теплового шума равномерен на всех частотах. Это верно вплоть до частот 10 ГГц, что делает нашу модель, приемлемой для анализа большинства систем.

Дробовой шум

Дискретная природа потока электронов порождает флуктуации сигнала, названные дробовым шумом. В фотодетекторах, таких как вакуумный (ламповый) фотодиод или полупроводниковые приборы на основе p–n-перехода, поступающий оптический сигнал генерирует ток, состоящий из дискретных носителей заряда. Каждый носитель заряда вносит один импульс в общий ток. Этот процесс показан на рисунке 6.4 для вакуумного фотодиода. Импульс начинается в момент вылета электрона из катода и заканчивается, когда электрон попадает на анод (где исчезает, прорекомбинировав с положительным зарядом). Таким образом, длительность импульса равняется времени пролета электрона  (время, затрачиваемое электроном на перемещение от катода к аноду). Точная форма импульса не имеет большого значения. Увеличение амплитуды тока в течение дрейфа является результатом ускорения электрона под действием напряженности электрического поля, существующего между электродами. Чем быстрее двигаются электроны, тем больший ток создается.

Пусть на катод детектора поступает излучение с постоянной оптической мощностью P. Следует ожидать, что фототок будет постоянным, как показано на рисунке 6.5,а. Однако этот постоянный ток складывается из большого количества импульсов, имеющих форму, показанную на рисунке 6.4. Хотя все импульсы идентичны, они генерируются в произвольные моменты времени, как показано на рисунке 6.5,б. Сложение одинаковых, но пришедших в произвольные моменты времени импульсов, не создает отклик постоянного уровня. Результирующий ток флуктуирует, имея среднее значение, предсказанное для случая отсутствия шума (eP/h). Отклонения мгновенного значения тока от постоянного (идеального) уровня, вызванные генерацией дискретных носителей заряда в случайные моменты времени, называются дробовым шумом. В полупроводниковых фотодиодах, дробовой шум является результатом случайной генерации и рекомбинации свободных электронов и дырок. Дробовой шум может быть представлен эквивалентной схемой, состоящей из источника тока, показанного на рисунке 6.6. Среднеквадратическое значение тока дробового шума

, (11.2)

где e – заряд электрона, I – среднее значение тока детектора и f – ширина полосы пропускания приемного устройства. Дробовой шума имеет равномерный (белый) спектр на всех частотах модуляции, представляющих интерес. Точно так же как тепловой шум, ток дробового шума линейно зависит от ширины полосы пропускания системы и не зависит от местоположения полосы на оси частот. Согласно соотношению (11.2) дробовой шум увеличивается с ростом силы тока. Таким образом, дробовой шум увеличивается с увеличением уровня поступающей оптической мощности. Это отличает его от теплового шума, который не зависит от принимаемой оптической мощности. В следующем подразделе будет рассмотрено, как это явление влияет на качество сигнала, путем расчета отношения сигнал/шум. Также будет дана численная оценка мощности шума, определяемого из соотношений (6.1) и (6.2).

Ток в уравнении (6.2) включает средний ток, сгенерированный падающей оптической волной и темновым током I_т, поэтому

, (6.3)

где i_с – фототок, среднее значение которого показано пунктиром на рисунке 6.5.

22. В этом случае фототок сигнала имеет постоянное значение

, (6.4)

где P – поступающая оптическая мощность. Диод создает среднюю электрическую мощность сигнала в резисторе нагрузки R_н

. (6.5)

Средняя электрическая мощность дробового шума в нагрузке определяется из соотношения, , которое при использовании уравнений (6.3) и (6.4), превращается в

. (6.6)

Была сделана подстановка , поскольку мгновенное и среднее значения тока одинаковы для случая постоянной оптической мощности.

Мощность теплового шума в нагрузке может быть представлена в виде

(6.7)

при использовании уравнения (6.1).

Определим отношение сигнал/шум как отношение среднего значения мощности сигнала к средней мощности, создаваемой всеми источниками шума. При объединении соотношений (6.5), (6.6) и (6.7), получаем

. (6.8)

Рассмотрим некоторые частные случаи. Предположим, что среднее значение тока сигнала (eP/h) намного больше, чем значение темнового тока. При этом член I_т может быть опущен в соотношении (6.8). Эта ситуация возможна, если темный ток мал, а оптическая мощность не слишком низка. Предположим также, что мощность дробового шума значительно превышает мощность теплового шума. При этом членом 4kTf можно пренебречь. Оптическая мощность для выполнения этого условия должна быть относительно большой. При сделанных допущениях выражение для отношения сигнал/шум упрощается

. (6.9)

В этом режиме значение ОСШ ограничено дробовым (квантовым) шумом. Это наилучший результат. По существу, путем увеличения оптической мощности мы устранили влияние темнового и теплового шумов. Такая ситуация имеет место на практике в системах кабельного телевидения. Ограниченное квантовым шумом отношение сигнал/шум может быть переписано в терминах тока сигнала, путем объединения соотношений (6.4) и (6.9)

. (6.10)

К сожалению, не всегда возможно значительно увеличивать мощность света. Если мощность света мала, то тепловой шум обычно доминирует над дробовым шумом. При этом соотношение (6.8) принимает вид

. (6.11)

Эта формула описывает случай ограничения ОСШ тепловым шумом. Она обычно дает значение, намного меньшее, чем значение ОСШ, ограниченное квантовым шумом. Отметим, что значение ОСШ для этого случая может быть улучшено путем увеличения сопротивления нагрузки. Однако это может чрезмерно сузить ширину полосы пропускания приемного устройства и его динамический диапазон. Из уравнения (6.11) также следует, что значение ОСШ увеличивается пропорционально квадрату поступающей оптической мощности. Поэтому относительно небольшие изменения затухания в линейном тракте вызывают значительные изменения в качестве принимаемого сигнала в случае, когда система ограничена тепловым шумом.

23. Основные функции промежуточной станции: 1) усиление сигнала, ослабленного линией; 2) коррекция формы принимаемых сигналов, искаженных оборудованием линейного тракта; 3) оценка значений символов передаваемого сигнала; 4) формирование выходных сигналов (импульсов) заданной амплитуды и длительности. Последние две функции присущи только ретрансляторам цифровых ВОСП.

Промежуточные станции (ретрансляторы) ВОСП по способу обработки сигнала могут быть разделены на оптоэлектронные (а) и оптические (б) (рис. 10.1). Здесь 1 – ПРОМ; 2 – электронный ретранслятор (регенератор, усилитель-корректор); 3 – ПОМ; 4 – оптический усилитель. На рисунке также приведены эпюры оптических и электрических сигналов в характерных точках.

Классификация промежуточных станций ВОСП приведена на рис. 10.2. Оптоэлектронные ретрансляторы, в зависимости от выполняемых функций, подразделяются на три типа:

• 1R выполняет восстановление формы сигнала. Примерами являются: 1) аналоговая ВОСП с частотной модуляцией поднесущей; 2) аналогово-импульсная ВОСП с частотно- или широтно-импульсной модуляцией;

• 2R осуществляет (кроме первой функции) восстановления длительности, например, в аналого-импульсных ВОСП с регенерацией сигнала;

- 3R в дополнение к двум предыдущим функциям восстанавливает временные интервалы передаваемой импульсной последовательности. Регенераторы типа 3R имеют достаточно высокую стоимость. Однако нет большой необходимости всем регенераторам придавать 3R-функции. Рационально строить системы путем комбинации 1R -регенераторов (выполняющих коррекцию формы импульса), 2R-регенераторов (выполняющих коррекцию формы импульса и регенерацию) и 3R-регенераторов. Построенные таким образом системы называют гибридными. Они используются как в традиционных цифровых системах передачи, так и в волоконно-оптических.

Оптические ретрансляторы или оптические усилители (ОУ) можно разделить на полупроводниковые и волоконные. Усилители типа Фабри-Перо содержат внутри полупрозрачных плоско-параллельных зеркал активную (усиливающую) среду, аналогичную лазерной. Такие ОУ, в результате многопроходного усиления, имеют большой коэффициент усиления по мощности ( 25 дБ) в узкой полосе ( 1,5 ГГц), перестраиваемой в диапазоне шириной до 800 ГГц. Эти усилители не чувствительны к поляризации входного сигнала и хорошо (до 20 дБ) подавляют боковые спектральные составляющие за пределами полосы в 5 ГГц. ОУ типа

24. Оптоэлектронные ретрансляторы подразделяются на аналоговые и цифровые. Структурная схема цифрового ретранслятора ВОСП приведена на рис. 10.3. Здесь 1 – оптическое волокно; 2 – приемник излучения (ФД, ЛФД); 3 – предварительный малошумящий усилитель; 4 – управляемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное (например, 5 В/45 В для питания германиевого ЛФД); 5 – основной регулируемый усилитель; 6 – усилитель АРУ; 7 – корректор, осуществляющий коррекцию амплитудно-частотных искажений, вносимых ОК и усилительным трактом; 8 – пиковый детектор для целей АРУ тракта приема; 9 – электронный регенератор; 10 – широкополосный усилитель накачки; 11 – блок температурной и временной стабилизации мощности источника излучения 12; 13 – контрольный p-i-n-фотодиод; 14 – источник электропитания оборудования ретранслятора.

Основным блоком цифрового ретранслятора является регенератор. Его обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.4, где 1 – усилитель-ограничитель (УО)4 2 – выделитель тактовой частоты (ВТЧ); 3 – решающее устройство (РУ), состоящее из ключа (Кл) и порогового элемента (ПЭ); 4 –устройство формирования импульсов (УФИ) с заданными амплитудой, длительностью и формой. Назначение и функции основных элементов регенератора проще уяснить с помощью временных диаграмм сигналов в различных точках а…г (рис. 10.5), указанных в схеме на рис. 10.4.

С выхода корректора АЧХ (см. рис. 10.3) смесь сигнала и шума (эпюра а) поступает одновременно на входы УО и ВТЧ. В усилителе-ограничителе происходит усиление сигнала и ограничение его уровня (амплитуды). Это частично подавляет часть помех (эпюра б). Сигнал с выхода ВТЧ представляет собой периодическую последовательность импульсов (эпюра в), тактовой частоты f_T = 1/T_T, где T_T – тактовый интервал (период следования импульсов). Эти импульсы также называют стробирующими.

В решающем устройстве оценка передаваемых символов осуществляется методом однократного отсчета. Обработка смеси сигнала и шума ведется в средней наименее искаженной части посылки. Для этого в РУ ключом Кл осуществляется выделение центральной части посылки (дискретизация по времени) цифрового сигнала. Управляет работой Кл схема ВТЧ. Решение о том, какой в данный момент времени элемент сигнала (0 или 1) передавался, принимается с помощью порогового элемента. На его вход поступает суммарное напряжение сигнала u_c и шума u_ш, u = u_c + u_ш. Алгоритм работы ПЭ, а значит и всего РУ, следующий:

если u  U_пор, то u_пэ соответствует логической 1;

если u < U_пор, то u_пэ соответствует логическому 0,

где U_пор – пороговый уровень решающего устройства. Его обычно выбирают равным половине размаха импульса. Сигнал на входе ПЭ, соответствующий 1, запускает УФИ, которое в свою очередь вырабатывает импульс стандартной амплитуды, формы и длительности (эпюра г). Необходимо отметить, что последовательность стробирующих импульсов на выходе ВТЧ (эпюра в) обязательно фазируется с импульсами на входе РУ с целью принятия решения в наиболее оптимальный момент времени.

25. В основу работы ВОУ положен принцип стимулированного (вынужденного) излучения, аналогичный лазерному. Активной средой является отрезок кварцевого или фтор-цирконатного волокна сердцевина которого легирована ионами редкоземельного элемента эрбия Er или празеодима Pr.

Рассмотрим принцип действия наиболее распространенного ВОУ на основе кремниевого волокна легированного ионами эрбия . На диаграмме энергетических уровней эрбия (рис. 11.1) показано, что при поглощении энергии излучения накачки с длиной волны 0,98 или 1,48 мкм, ионы эрбия возбуждаются и переходят со стационарного уровня А на высшие энергетические уровни (Б или В), создавая инверсию населенности. При переходе в основное (стационарное) состояние излучаются фотоны с длиной волны в интервале 1,53…1,56 мкм. Излучение происходит либо спонтанно (отсутствует какое либо внешнее воздействие), либо стимулировано (при поступлении в активную среду фотонов сигнала подлежащего усилению).

Таким образом, в активной среде происходит усиление как сигнального, так и спонтанного (шумового) излучения – его на-зывают усиленным спонтанным излучением (УСИ^*). Оно приво-дит к увеличению коэффициента шума ВОУ. Важно оптими-зировать направление подачи и длину волны излучения накачки для увеличения коэффициента усиления и снижения уровня УСИ (особенно при использовании ВОУ в многоканальных системах передачи). Кроме того, для увеличения коэффициента усиления эрбиевого волокна необходимо добиться наилучшего согласования полей сигнала и накачки, путем соответствующего распределения легирующей примеси в активном материале. Желательно использовать волокна с большой числовой апертурой и малым диаметром сердцевины.

На рис. 11.2 приведена функциональная схема ВОУ. Она содержит пять основных элементов: 1 – устройство спектрального мультиплексирования, 2 – лазерный источник накачки, 3 – активное волокно, 4 – оптический вентиль, 5 – оптический фильтр. Аналогичная схема усилителя применяется и во втором окне прозрачности. Наиболее перспективным активным материалом, кроме празеодима, здесь являются флюоридное стекло (кварц, легированный соединением ZnF₄ или BaF₂) . Рассмотрим основные компоненты ВОУ.

Активное волокно из двуокиси кремния имеет сердцевину, легированную эрбием Er³⁺. Степень легирования не велика – менее 1%. Длина волокна около 15…20 м. ВОУ, работающие в третьем окне прозрачности называют усилителями на волокне, легированном эрбием (EDFA^*). Для того, чтобы сделать плоской зависимость коэффициента усиления от длины волны и расширить спектральный диапазон усиления в сердцевину также добавляют алюминий.

Источник накачки (полупроводниковый лазерный диод) обеспечивает энергию, необходимую для достижения инверсии населенности в активном волокне. Излучение накачки эффективно поглощается эрбием на длинах волн 980 нм или 1480 нм, однако лазеры для этих диапазонов имеют очень высокую стоимость. Возможна альтернативная длина волны 820 нм, на которой обеспечиваются удовлетворительные значения параметров ВОУ, но с помощью более дешевых ЛД на основе AlGaAs. Длина волны накачки эффективно поглощающаяся в усилителе на волокне, легированном празеодимом (PDFA^**), составляет 1017 нм .

Характеристики и параметры ВОУ

26. В основу работы ВОУ положен принцип стимулированного (вынужденного) излучения, аналогичный лазерному. Активной средой является отрезок кварцевого или фтор-цирконатного волокна сердцевина которого легирована ионами редкоземельного элемента эрбия Er или празеодима Pr.

Сигнальные параметры. Рабочий диапазон усиливаемых длин волн – это область спектра ₁…_n, внутри которой коэффициент усиления ВОУ снижается не более чем в два раза (на 3 дБ) по сравнению с максимальным коэффициентом усиления. Для второго и третьего окон прозрачности ОВ этот диапазон составляет 1275…1350 и 1530…1560 нм соответственно.

Коэффициент усиления по мощности К_р определяется из соотношений

К_р = Р_{с вых}/Р_{с вх} или k_p= 10lg(Р_{с вых} /Р_{с вх}), дБ

где Р_{с вх} и Р_{с вых} – мощность сигнала на входе и выходе ВОУ соответственно. Величина коэффициента усиления ВОУ зависит от уровня: 1) входной оптической мощности и стремится к своему максимальному значению по мере снижения Р_{с вх} (рис. 11.5,а); 2) мощности излучения накачки, рис. 11.5,б (длина активного ОВ равна 19,5 м, длина волны излучения накачки 1476 нм). Типичные значения k_р = 10…30 дБ (максимальное 42 дБ. Производители ВОУ также указывают величину неравномерности (в дБ) в рабочем диапазоне длин волн.

Выходная мощность насыщения Р_{вых нас} (Вт, дБм) определяет максимальную выходную мощность усилителя (нормируется только для усилителей мощности). Чем выше его значение, тем большую длину участка регенерации может обеспечить комбинация ПОМ-ВОУ при прочих равных условиях. Этот параметр зависит от модели и назначения ВОУ и может достигать 36 дБм (4 Вт).

Насыщение ВОУ наступает тогда, когда входной сигнал большой мощности приводит к уменьшению значения К_р. В результате снижается мощность выходного сигнала. Причина этого явления заключается в уменьшении инверсии населенности уровней при большом входном оптическом сигнале, а чем меньше инверсия, тем меньше коэффициент усиления, рис. 11.6 (верхняя кривая). Мощность выходного излучения пропорциональна мощности накачки, рис. 11.7. Таким образом, уровень выходного сигнала ограничивается только введенной мощностью излучения источника накачки. Сильно насыщенный ВОУ может преобразовывать фотоны накачки в сигнальные фотоны с эффективностью, достигающей 90%.

27. В основу работы ВОУ положен принцип стимулированного (вынужденного) излучения, аналогичный лазерному. Активной средой является отрезок кварцевого или фтор-цирконатного волокна сердцевина которого легирована ионами редкоземельного элемента эрбия Er или празеодима Pr.

Шумовые параметры. Мощность усиленного спонтанного излучения Р_уси. При отсутствии входного сигнала ВОУ является источником спонтанного излучения. Спектр такого излучения зависит от особенностей энергетических зон атомов эрбия и от статистики распределения заселенности энергетических уровней. Спонтанно возникшие фотоны, распространяясь по активному волокну, усиливаются подобно входному сигналу, т.е. генерируются вторичные фотоны с той же длиной волны, частотой, поляризацией и направлением распространения. Спектр мощности УСИ, измеренный на выходе ВОУ, показан на рис. 11.8. Мощность УСИ нормируется к единичной полосе и имеет размерность Вт/Гц.

Если на вход ВОУ подается сигнал, то определенная доля энергии, ранее расходовавшаяся на образование спонтанных фотонов, перераспределяется и затрачивается на создание фотонов когерентных с сигнальными. При этом мощность сигнала возрастает, а мощность УСИ снижается.

При подаче на вход ВОУ мультиплексного сигнала происходит дальнейший отбор мощности от УСИ в пользу усиливаемых сигналов. Обычно ВОУ работают в режиме насыщения выходной мощности. Это обеспечивает выравнивание уровней мощности парциальных сигналов, что весьма благоприятно для построения протяженных ВОСП с большим числом каскадно включенных ВОУ. Если лазер в оборудовании передачи генерирует излучение со спектром шириной f (f = c / ², где с – скорость света в вакууме,  - ширина спектра ИИ) и оптический фильтр в оборудовании приема (перед ПРОМ) пропускает сигнал в таком же спектральном окне, то вклад в мощность шума на выходе вследствие наличия УСИ будет равен Р_усиf = Р_уси. Таким образом, ВОСП будет иметь лучшие шумовые характеристики при ограничении спектра УСИ узкополосным оптическим фильтром.

30.

Оптоэлектронные ретрансляторы подразделяются на аналоговые и цифровые. Структурная схема цифрового ретранслятора ВОСП приведена на рис. 10.3. Здесь 1 – оптическое волокно; 2 – приемник излучения (ФД, ЛФД); 3 – предварительный малошумящий усилитель; 4 – управляемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное (например, 5 В/45 В для питания германиевого ЛФД); 5 – основной регулируемый усилитель; 6 – усилитель АРУ; 7 – корректор, осуществляющий коррекцию амплитудно-частотных искажений, вносимых ОК и усилительным трактом; 8 – пиковый детектор для целей АРУ тракта приема; 9 – электронный регенератор; 10 – широкополосный усилитель накачки; 11 – блок температурной и временной стабилизации мощности источника излучения 12; 13 – контрольный p-i-n-фотодиод; 14 – источник электропитания оборудования ретранслятора.

Основным блоком цифрового ретранслятора является регенератор. Его обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.4, где 1 – усилитель-ограничитель (УО)4 2 – выделитель тактовой частоты (ВТЧ); 3 – решающее устройство (РУ), состоящее из ключа (Кл) и порогового элемента (ПЭ); 4 –устройство формирования импульсов (УФИ) с заданными амплитудой, длительностью и формой. Назначение и функции основных элементов регенератора проще уяснить с помощью временных диаграмм сигналов в различных точках а…г (рис. 10.5), указанных в схеме на рис. 10.4.

С выхода корректора АЧХ (см. рис. 10.3) смесь сигнала и шума (эпюра а) поступает одновременно на входы УО и ВТЧ. В усилителе-ограничителе происходит усиление сигнала и ограничение его уровня (амплитуды). Это частично подавляет часть помех (эпюра б). Сигнал с выхода ВТЧ представляет собой периодическую последовательность импульсов (эпюра в), тактовой частоты f_T = 1/T_T, где T_T – тактовый интервал (период следования импульсов). Эти импульсы также называют стробирующими.

В решающем устройстве оценка передаваемых символов осуществляется методом однократного отсчета. Обработка смеси сигнала и шума ведется в средней наименее искаженной части посылки. Для этого в РУ ключом Кл осуществляется выделение центральной части посылки (дискретизация по времени) цифрового сигнала. Управляет работой Кл схема ВТЧ. Решение о том, какой в данный момент времени элемент сигнала (0 или 1) передавался, принимается с помощью порогового элемента. На его вход поступает суммарное напряжение сигнала u_c и шума u_ш, u = u_c + u_ш. Алгоритм работы ПЭ, а значит и всего РУ, следующий:

если u  U_пор, то u_пэ соответствует логической 1;

если u < U_пор, то u_пэ соответствует логическому 0,

где U_пор – пороговый уровень решающего устройства. Его обычно выбирают равным половине размаха импульса. Сигнал на входе ПЭ, соответствующий 1, запускает УФИ, которое в свою очередь вырабатывает импульс стандартной амплитуды, формы и длительности (эпюра г). Необходимо отметить, что последовательность стробирующих импульсов на выходе ВТЧ (эпюра в) обязательно фазируется с импульсами на входе РУ с целью принятия решения в наиболее оптимальный момент времени.

Схема и работа лазерного передающего устройства

Структурная схема ПОМ на скорость 32,768 Мбит/с для модуляции сигналом линейного кода СМІ, построенного с учетом изложенных требований, приведена на рис. 3.1.б.

В ее состав входят следующие блоки: регулируемый модулятор (РМ); интегрирующие усилители (ИУ1 и ИУ2); решающие схемы (РС1 и РС2); регулирующий усилитель (РУ); лазерный модуль (ЛМ); резисторы R_м, R_н, R_изм.

Регулируемый модулятор модулирует мгновенную выходную мощность ПОМ импульсами тока накачки ЛД, амплитуда которого задавается резистором R_м. Кроме этого, он регулирует среднее значение выходной мощности. Модулирующий сигнал поступает на верхний по схеме вход РМ. На второй (нижний по схеме) его вход подается регулирующее напряжение с контура регулирования обратной связи по свету (КОСС). Это напряжение снимается с нагрузочного резистора R_н фотодиода обратной связи (ФД_ос) лазерного модуля и усиливается посредством ИУ1. Интегрирующие свойства ИУ позволяют выделить постоянную составляющую сигнала обратной связи и задержать проникновение модулирующих импульсов в КОСС. Схема построена таким образом, что снижение оптической мощности, а значит, и напряжения на резисторе R_н приводит к увеличению амплитуды модулирующих импульсов тока, и наоборот – увеличение мощности – к снижению амплитуды этих импульсов. Номинальное значение излучаемой мощности устанавливается специальным потенциометром, входящим в состав схемы ИУ1. Данная система поддерживает стабильную выходную мощность в течение всего срока службы ЛД, увеличивая ток его накачки в процессе деградации. По увеличению тока накачки можно судить о степени деградации ЛД. Определить текущую степень деградации (остаточный ресурс) можно путем измерения напряжения на специальном выходе «ресурс». Это напряжение снимается с низкоомного резистора R_изм, включенного в цепь излучателя, и усиливается усилителем ИУ2, в состав которого входит специальный потенциометр для установки начального значения этого напряжения.

Двукратное увеличение тока (напряжения на выходе ИУ2) регистрируется решающей схемой РС2, которая формирует аварийный сигнал «авария тока лазера» (Авар. т.л.), выдаваемый в систему аварийной сигнализации, что дает обслуживающему персоналу основание для принятия решения о необходимости скорой замены ЛД. Отсутствие тока ФД_ос (напряжения на R_н) свидетельствует о прекращении излучения ЛД (обрыв выводов кристалла, полная деградация и другие причины). Это приводит к срабатыванию РС1 и выдаче аварийного сигнала «авария излучения» (Авар. изл.). При перегреве излучателя из-за собственного тепловыделения или из-за повышения температуры окружающей среды включается термобатарея (ТБ) Пельтье, входящая в состав лазерного модуля. Термобатарея выполняет функцию микрохолодильника лазерного кристалла и охлаждает его до температуры 20°С. Управление ТБ осуществляется посредством РУ, на вход которого подается напряжение от терморезистора обратной связи (ТР_ос), размещенного на холодном спае ТБ и объединенного с лазерным кристаллом (измеряющем его температуру).

Зависимость сопротивления ТРОС от температуры кристалла обычно приводится в паспорте лазерного модуля. Регулирующий усилитель рассчитывается таким образом, что ток, пропускаемый через ТБ, снижается до нуля при температуре ниже 20°С. При значениях сопротивления ТР_ос, соответствующих более высоким температурам, РУ включает ток, протекающий через ТБ, и кристалл охлаждается.

33-такой как 10.

36-37.(фото на телефоне)

40.

Звездообразная сеть

Для многотерминальных сетей альтернативой Т-образной конфигурации является звездообразная сеть, рисунок 9.6. В этой сети передающий звездообразный ответвитель связывает N терминалов. Ответвитель имеет 2N портов. Он может рассматриваться как направленный ответвитель с более чем четырьмя портами. Звездообразный ответвитель в равной степени распределяет мощность из любого из портов передачи к каждому из портов приема, как показано на рисунке 9.7. Идеальная звезда делит входную мощность между N отводами без потерь. Эффективность передачи для каждого порта равна 1/ N и соответствующие вносимые потери (в децибелах)

L_IN = – 10 lg 1/N. (9.9)

Если для присоединения терминалов используются два соединителя, каждый из которых имеет потери L_С и вносимые потери равны, L_Е, то результирующие потери в распределительной сети, использующей звездообразный ответвитель

L = – 10 lg 1/N + L_Е + 2L_С.

41.

Кольцевая сеть

Волокна могут соединять многочисленные терминалы в кольцевую сеть, рисунок 9.9. Кольцо фактически является последовательным соединением независимых линий связи “из точки в точку”. Каждый узел кольцевой сети содержит оптические приемное Пр. и передающее Пер. устройства. Функцией узла является регенерация. После того, как приемное устройство обнаруживает переданное сообщение, оно преобразуется в электрический эквивалент, данные восстанавливаются, а затем преобразуются в оптический сигнал и передаются на следующую станцию.

В кольцевой сети мощность любого оптического передающего устройства попадает только на одно приемное устройство. Здесь нет распределения оптической мощности между отдельными станциями (в отличие от Т-образной и звездообразной сети). По этой причине кольцо может связать большее количество терминалов, чем любая из описанных выше конфигураций сетей, т.е. кольцо не ограничено потерями в устройствах распределения как Т-образная и звездообразная сети. Конечно, активные узлы кольцевой сети значительно сложнее, чем пассивные узлы в Т-образной и звездообразной сети.

Если любой узел в кольце выходит из строя, то это приводит к потере работоспособности всей системы. Точно так же вся система перестает работать при обрыве любого из сегментов волокна в кольце. Модификация однонаправленного кольца может решить эту проблему. Например, возможна установка оптического обходного переключателя, чтобы обеспечить оптический обход неработоспособного узла пока выполняется его ремонт. Электромеханические обходные переключатели, разработанные для этой цели, описаны в подразделе 9.4. Создание второго кольца – другой вариант изменения однонаправленного кольца, рисунок 9.10.

льце информация передается в направлении, противоположном первому. В обычном режиме функционирует только основное кольцо. Однако, когда узел или волокно выходит из строя, сеть видоизменяется так, что информация передается по кольцу, из которого исключен один или несколько сегментов. На рисунке 9.10,б показан путь сигнала в ситуации, когда произошло повреждение, и сеть реконфигурировала себя. В локальной вычислительной сети типа “распределенный интерфейс передачи данных по волокну” (fiber distributed data interface – FDDI) используется архитектура двойного кольца.

43.

Т-образная сеть, приведенная на рисунке 9.3, связывает большое число терминалов. Каждый терминал содержит передающее и приемное устройства. По магистральному волокну, называемому шиной или шиной данных, передается информация между ответвителями. Ответвление мощности обеспечивается с помощью Т-образных ответвителей. Показанный на рисунке 9.4 Т-образный оветвитель обеспечивает двунаправленный информационный поток в волоконной шине. На этом рисунке два направленных Y-ответвителя составляют один Т-образный ответвитель. Терминалы 1…N присоединяются к шине с помощью одного (составного) направленного ответвителя.

Многотерминальная сеть требует большого коэффициента разветвления (передаваемая мощность  отводимой мощности) для Т-образного ответвителя. Это гарантирует, что сигналы, приходящие на приемные устройства, расположенные на большом расстоянии от передающего, будут иметь достаточную мощность для обеспечения заданного качества передачи. Рассмотрим результирующие потери между терминалами 1 и N, принимая во внимание, что каждый из направленных ответвителей, присоединенных к волокну шины, имеет коэффициент передачи L_THP и потери ответвления L_TAP. Сигнал должен пройти через N – 1 направленных ответвителя прежде чем попасть в приемное устройство. Оно присоединяется к порту ответвления этого ответвителя, так что результирующие потери распределения

L = (N –1)L_THP + L_TAP. (9.7)

Ясно, что результирующие потери (в децибелах) линейно увеличиваются с увеличением количества терминалов.

В реальной системе необходимо учесть потери в соединителях, используемых для монтажа сети. На каждом входе и выходе ответвителя устанавливается соединитель, так что в тракте между терминалами 1 и N имеется 2N соединителя. Если потери в каждом из соединителей равны L_с (дБ), то в тракт вносится дополнительное затухание 2NL_с. Они должны быть добавлены в уравнение (9.7), т.е. результирующие потери распределения

L = (N –1)L_THP + L_TAP + 2NL_с. (9.8)

На рисунке 9.5 показаны результаты расчетов потерь для нескольких вариантов распределительной сети. Нижние графики на этом рисунке соответствуют идеальным ответвителям (отсутствуют вносимые потери и потери в соединителях). При построении верхних графиков приняты вносимые потери 1 дБ для каждого ответвителя и потери 1 дБ для каждого соединителя. Как видно из рисунка, потери стают недопустимо большими при соединении умеренно большого числа терминалов.

Кроме потерь, Т-образную сеть характеризуют и другими важными параметрами: динамическим диапазоном приемных устройств, устойчивостью к повреждениям и простотой добавления новых терминалов. Эти параметры обсуждаются ниже.

В Т-образной сети на любой из терминалов поступает большая мощность от соседнего терминала, чем от удаленного. Приемное устройство должно быть способным обрабатывать сигналы, изменяющиеся в широком диапазоне уровней мощности. Другими словами, здесь необходимо приемное устройство с большим динамическим диапазоном.

Локальное повреждение в Т-образной сети не приводит к прекращению всей связи. Разрыв волокна шины делит систему на две части, с информационным потоком, сохраняющимся по обе стороны от места повреждения. Повреждение одного из Т-образных ответвителей также делит сеть на два работающих участка и прерывает связь с терминалом, подключенным к сети через этот ответвитель. Повреждение в терминале просто отключает этот терминал, оставляя остальную часть системы работающей в штатном режиме.

Новые терминалы могут быть добавлены к Т-образной сети простым

разрезанием волокна шины и вставкой в место разрыва Т-образного ответвителя.

^ Лазер, генерирующий непрерывную волну.

^ Шум в усилителе приемного устройства может иметь тепловую или дробовую природу в зависимости от типа активных приборов (полевых или биполярных транзисторов).

*

*

**