5. Волоконно-оптические системы передачи
5.1. Модуляция оптической несущей вок
Модуляция в ОК – это изменение параметра света: амплитуды, мощности излучения, фазы, поляризации света, направление распространения, частоты распределения мод и т. д. в зависимости от управляющего сигнала. Модулирующий сигнал может быть электрическим, акустическим, механическим и оптическим [9–12].
Существуют различные способы получения модулированного оптического излучения.
1. Прямая модуляция – это модуляция излучения лазерного диода (ЛД) или излучающего диода (ИД) путем изменения тока накачки.
2. Внешняя модуляция – модуляция излучения немодулированного источника света. Для этой цели необходим оптический модулятор, т. е. система, в которой происходит взаимодействие света с веществом. В этих модуляторах используются кристаллы из материала, у которого либо показатель преломления, либо поглощение световой волны изменяется модулирующим сигналом. Управление показателем преломления основывается либо на электрооптическом эффекте (влияет электрическое поле), либо пьезооптических эффектах. В модуляторах оптической связи преимущественно используется электрооптический эффект.
3. Внутренняя модуляция – модуляция лазерного резонатора, т. е. это разновидность прямой модуляции.
При демодуляции используются в основном два вида приема оптических сигналов: непосредственный прием фотодетектором (непосредственный прием) и когерентный прием, в котором применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты. Независимо от вида демодуляции, синхронная или несинхронная, она осуществляется на промежуточной частоте.
Прямая модуляция
Прямая модуляция интенсивности излучения ЛД может осуществляться с высокой скоростью. Это качество определяется малым спонтанным временем жизни электронов сп. Быстрое включение тока накачки приводит к появлению затухающих колебаний. Частота этих релаксационных колебаний fr в идеальном одномодовом лазере определяется приближенной формулой [12]:
где сп – время жизни инжектированного электрона, равное 10–9 с; ф – время жизни фотона, 10–12 с; I – полный ток накачки; IП – пороговый ток накачки; V – плотность зарядов электронов и дырок в активном слое лазера в единицу времени.
Релаксационным колебаниям в переходной характеристике одномодового лазера соответствует резонанс вблизи fr (рис. 5.1). В переходной характеристике многомодового лазера или излучающего диода возникают несколько “горбов” затухающего колебания, т. е. отражается процесс установления стационарного режима (рис. 5.2). Все это приводит к некоторым граничным условиям метода прямой модуляции.
В
частности, можно считать, что при
импульсной модуляции током накачки
,
а при аналоговой модуляции сигналами
с частотами в спектре f
<< fр
в каждый момент времени интенсивность
излучения принимает стационарное
значение в соответствии со статической
ватт–амперной характеристикой лазера.
При
,
f
fр
существенно
начинают сказываться переходные
процессы.
Рис.5.2. Переходная
характеристика
многомодового
лазера:
З
- время задержки
начала генерации
Рис. 5.1 Частотная
характеристика
одномодового
лазера
Расчеты показывают, что при использовании многомодовых лазеров достаточно просто реализуется ИКМ со скоростью 400 Мбит/с. При исполь-зовании одномодовых лазеров можно получить скорость передачи информации в несколько терагерц. В настоящее время существуют одномодовые лазеры, позволяющие работать со скоростью передачи 14 ГГц (14 Гбит/с) и более.
Структурная схема оптической СПИ с прямой модуляцией приведена на рисунке 5.3. Особый интерес при построении волоконно–оптических систем предачи (ВОСП) представляет предварительная модуляция поднесущей частоты передаваемым сигналом (рис. 5.4).
Рис. 5.3.
Структурная схема прямой модуляции:
УВСИ – устройство восстановления
синхроимпульсов; ОВ – оптическое
волокно; ИИ - источник цифровой информации;
БФ
– блок формирования сигналов для
излучающего или лазерного диода на
передающей стороне и блок формирования
кодовых комбинаций на приемной стороне
Рис. 5.4. Схема ВОС
с предварительной модуляцией поднесущей
частоты передаваемым
сигналом:
п
– поднесущая частота; ФС – формирователь
сигнала; ДМ - демодулятор
Информационный электрический сигнал поступает на модулятор М, где происходит первая операция – модуляция сигнала либо по амплитуде, либо по частоте, либо по фазе. Затем промодулированный сигнал на поднесущей частоте поступает на оптический излучатель, где происходит вторая операция – модуляция интенсивности оптического излучения.
Частотная модуляция поднесущей нашла применение при передаче видеосигнала в кабельном телевидении ВОС. Например, если ширина полосы видео сигнала составляет f = 0–6 МГц, то ширина спектра ЧМ сигнала на выходе модулятора составит
fЧМ = 2f (1+) = 2 (2…6) (1+1,5) 30 МГц ,
где – индекс модуляции, равный 1,5.