Размещено на http://www.allbest.ru/

ОПТИЧНІ ПЕРЕДАВАЛЬНІ ПРИСТРОЇ та модулі: поняття та проектування

1. Загальні відомості про оптичні передавальні пристрої

Оптичний передавальний пристрій (ОПерП) - один з головних функційних вузлів будь-якої волоконно-оптичної системи передачі. Призначення ОПерП - перетворення вхідного електричного сигналу в ідентичний йому оптичний сигнал з високою точністю. В сучасній техніці волоконно-оптичного зв'язку вже розроблені та використовуються ОПерП для різноманітних систем передачі (цифрових, аналогових, кабельного телебачення, локальних мереж ЕОМ та ін.)

Для всіх ОПерП незалежно від галузі їх застосування та типу оптичного випромінювача характерні такі властивості:

- використання напівпровідникових випромінювачів (світлодіодів, лазерів);

- використання внутрішньої (прямої) модуляції оптичного випромінювання по інтенсивності;

- типовий ОПерП містить електронні схеми для узгодження параметрів випромінювання з параметрами вихідних каскадів прикінцевих електронних пристроїв;

- ОПерП містить схеми підсилення та перетворення вхідних сигналів, а також схеми стабілізації режимів роботи;

- ОПерП має оптичний узгоджуючий пристрій або пристрій введення випромінювання у волоконний світловод.

На рис.1 наведені типові структурні схеми ОПерП.

Рисунок 1 - Структурні схеми оптичних передавальних пристроїв:

а) з підсиленням вхідного сигналу; б) з підсиленням струму накачування

УП- узгоджуючий пристрій; П - підсилювач, ЕП - емітерний повторювач; ГСН -генератор струму накачування; ДОВ - джерело оптичного випромінювання; ОУП - оптичний узгоджуючий пристрій.

Узгоджуючий пристрій виконує узгодження рівнів вхідного сигналу з рівнями базових мікросхем, які використовуються у цифрових ОПерП, підсилювач при необхідності підсилює сигнал, емітерний повторювач є буферним каскадом, який узгоджує електричні опори джерела електричного сигналу (генератор напруги) з вхідним опором ГСН (джерела струму). Генератор струму накачування формує необхідний для роботи оптичного випромінювача струм накачування.

По своїй суті ГСН є перетворювачем типу “ напруга-струм”. Оптичний узгоджуючий пристрій потрібний для введення оптичної потужності у волоконний світловод, він узгоджує кут розкриву діаграми спрямованості випромінювача та апертурного кута світловода. Схеми (рис. 1 а та 2 б) відрізняються послідовністю процесів при формуванні струму накачування.

Досить часто в ОПерП використовується стабілізація струму накачування. Особливо важливою є стабільність струму накачування в ОПерП, де використано лазерний випромінювач.

Нестабільність струму накачування у таких пристроях призводить до коливань оптичної потужності випромінювача, переходу його в багаточастотний режим роботи, якщо струм накачування зменшується, а струм постійного зміщення стає нижче порогового.

Для стабілізації струму використовується зворотний зв'язок по струму накачування (рис.2 а) або по оптичній несучій (рис.2 б).

Рисунок 2 - Схеми стабілізації струму накачування

В обох схемах використовується зворотний зв'язок (ЗЗ). В схемі (рис. 2.б) частина оптичної потужності через направлений відгалужувач (НВ) подається на фотодетектор (ФД), потім на схему зворотного зв'язку. В разі використання лазерного випромінювача світло, що випромінюється із задньої стінки лазерного резонатора Фабрі - Перо може безпосередньо без НВ надходити до ФД.

2. Передавальні оптичні модулі

Для підвищення надійності та зниження вимог до умов експлуатації та монтажу оптичні передавальні пристрої виконують у вигляді передавальних оптичних модулів (ПОМ), інакше вони ще звуться квантово-електронними модулями (КЕМ).

Ці модулі призначені для передачі інформації по волоконно-оптичних лініях зв'язку, головним чином для локальних інформаційно-обчислювальних мереж, вони мають стандартні швидкості передачі 2,048; 8,448; 34,448; 139, 264 Мбіт/с.

Передавальні ПОМ вміщують лазерний випромінювач, узгоджуючі пристрої, що забезпечують ефективне введення оптичного випромінювання у волокно. Кожний ПОМ комплектується кабельною частиною оптичного з'єднувача, що розрахований на використання волоконного світловода.

ПОМ має схеми стабілізації оптичної потужності випромінювача. Вхідний узгоджуючий пристрій ПОМ забезпечує узгодження рівнів вхідних сигналів ТТЛ або ЕСЛ інтегральних схем. Схема блокування попереджує виникнення небажаних режимів роботи лазерного випромінювача, а також блокує його роботу при відсутності вхідного сигналу.

Модулі виконані на єдиній технологічній базі у вигляді герметичних мікрозборок. В конструкції використовується тонко плівкова гібридна технологія, без корпусні дискретні компоненти та напівпровідникові інтегральні схеми.

Весь пристрій вміщується у металевий корпус, обладнаний стандартним електричним кабельним роз'ємом з одного боку, та розетковою частиною оптичного кабельного роз'єму з іншого. Щоб охарактеризувати цифрові ПОМ, використовується система параметрів ПОМ:

- довжина хвилі оптичної несучої, мкм;

- максимальна швидкість передачі даних, біт/с;

- формат електричного сигналу на вході (ТТЛ, ЕСЛ);

- рівні напруги формату вхідних даних, В;

- середня потужність вихідного випромінювання, мВт (дБп);

- потужність фонового випромінювання (середня потужність випромінювання, що відповідає передачі символу «0»), мВт (дБп);

- відношення оптичних потужностей, що відповідають інформаційному сигналу та фону;

- діаметр пристрою оптичного узгодження модуля з оптичним трактом, мкм;

- числова апертура пристрою оптичного узгодження;

- тривалість фронту та зрізу імпульсу випромінювання на рівнях 0,1 та 0,9, нс;

- напруга живлення (В) та струм споживанням (мА).

Для аналогових ПОМ введені додаткові параметри:

- відношення сигналу до шуму;

- ширина смуги пропускання;

- коефіцієнт нелінійних спотворень.

Нижче наведені найбільш важливі параметри, що характеризують цифрові ПОМ.

1. Діапазон робочих температур від -20 до +60 ⁰С.

2. Напруга живлення +5 та -5 В при струмі споживання 300 мА.

3. При роботі в першому вікні прозорості та використанні світло діода робоча довжина хвилі випромінювання дорівнює (830?10) нм, а ширина спектра випромінювання не перевищує 50 нм при 20 ⁰С. Якщо використовується лазерний діод, то робоча довжина хвилі також дорівнює (830?10) нм, а ширина спектра випромінювання не перевищує 4 нм.

4. Пристрій оптичного узгодження у вигляді відрізка градієнтного оптичного кабелю повинен мати числову апертуру 0.2?0.02, та стандартні для багатомодових оптичних волокон діаметри серцевини - (50?3) мкм, та оболонки - (125?6) мкм. Несоосність серцевини та оболонки не повинна перевищувати 3 мкм. Ці дані відповідають вимогам МККТТ.

5. При використанні світло діода рівень потужності випромінювання на виході оптичного узгоджувального пристрою в режимі передачі символу «1» повинен знаходитись між -18 та -15 дБп протягом усього ресурсу роботи джерела випромінювання.

Закінчення строку служби світло діода можна визначити за зниженням рівня випромінювання до -21 дБм. Рівень оптичної потужності лазерного випромінювача лежить у межах від -1 до 3 дБп Закінчення строку служби може бути визначено за подвоєнням струму зміщення в колі автоматичного регулювання струму накачування або за зниженням потужності випромінювання більше, ніж на 6 дБп у порівнянні з рівнем на початку терміну служби.

6. Імпульсні характеристики ПОМ тестуються при подачі на його вхід псевдовипадкової послідовності імпульсів (2¹⁷-1) від генератора випадкових послідовностей при тактовій частоті близько 20 МГц. В імпульсному режимі флуктуації амплітуди оптичних імпульсів не повинні перевищувати ?5%; тривалість фронту та зрізу імпульсів не повинні перевищувати 10 нс; варіації тривалості імпульсів не повинні перевищувати 5%; амплітуда викиду на вершині імпульсу не повинна перевищувати 10%. Осциляції (дзвін) на вершині імпульсу не повинні з'являтися на частотах менших 200 МГц. Відношення потужності корисного сигналу до фону повинно бути більше, ніж 10:1.

7. Ресурс роботи джерела випромінювання в ПОМ при температурі оточуючого середовища 20 ⁰С повинен бути не менше, ніж 10⁵ год., а при температури 60⁰C до 10³ год.

В таблиці 1 наведені параметри деяких ПОМ

Таблиця 1 - Параметри ПОМ для ВОЛЗ

Формат вхідного сигналу для усіх наведених в табл. 1 марок передавальних модулів - ТТЛ.

3. Проектування передавальних оптичних модулів

напівпровідниковий квантовий випромінювач оптичний

При проектуванні ПОМ необхідно виходити з таких умов: призначення модуля; виду сигналу, що передається (цифровий чи аналоговий); параметрів сигналу, що передається (смуги частот модуляції або швидкості передачі, тривалості імпульсу, його амплітуди, динамічного діапазону і т.ін.); типу світловода з яким спрягається випромінювач ПОМ; довжини лінії зв'язку.

При проектуванні ПОМ головними чинниками є вибір джерела випромінювання, електричних кіл, що забезпечують стабільне випромінювання протягом усього періоду роботи ПОМ.

При виборі джерела випромінювання необхідно враховувати такі обставини: потужність випромінювання, ширину діаграми спрямованості, довжину хвилі оптичної несучої, ширину спектра випромінювання, лінійність ват-амперної характеристики, швидкодійність.

Випромінювач вибирається таким чином, щоб центральна довжина хвилі його спектральної характеристики співпадала з одним із вікон прозорості волоконного світловода (?=0,85; 1,3 або 1,55 мкм).

Ширина спектра випромінювання суттєво впливає на хроматичну дисперсію у ВС як багатомодових, так і одномодових, а також суттєво збільшує міжмодову дисперсію у багатомодових ВС. Потужність випромінювання повинна забезпечувати компенсацію втрат при введенні випромінювання у волокно та згасання у волоконно-оптичному тракті.

Вибір різновиду випромінювача залежить від сигналу, що передається. Для передачі аналогових сигналів найчастіше використовуються світло діоди та суперлюмінісцентні світло діоди, які мають практично лінійні ват-амперні характеристики.

Для передачі імпульсних сигналів, особливо у системах з великою швидкістю передачі, перевага надається лазерному випромінювачу. Швидкодійність джерела випромінювання повинна забезпечити задану ширину смуги пропускання при передачі аналогових сигналів або необхідну швидкість передачі при передаванні цифрових сигналів.

У разі аналогової модуляції повинні бути враховані вимоги щодо рівня нелінійних спотворень, а також вжиті заходи за їх зменшенням шляхом використання тієї чи іншої схеми їх компенсації. При передачі цифрових сигналів необхідно враховувати властивості коду в оптичному лінійному тракті, оскільки швидкість прямування імпульсів в лінії може перевищувати швидкість передачі інформації тієї чи іншої системи передачі. Після з'ясування наведених чинників розробляється електрична структурна схема ПОМ.

Після розробки структурної схеми ПОМ розраховується середнє та максимальне значення оптичної потужності, а також оцінюється фонове випромінювання, виходячи з ват-амперної характеристики випромінювача та параметрів сигналу.

Якщо потужність випромінювача недостатня, то необхідно застосувати інші методи модуляції або кодування, що дозволять підвищити середню потужність випромінювання або використати більш потужне джерело випромінювання.

Далі визначається відношення сигналу до шуму, потужність, що споживається. В залежності від умов експлуатації приймається рішення про використання схеми температурної стабілізації.

Наведена схема проектування ПОМ є досить спрощеною, при проектуванні ПОМ потрібно враховувати властивості усієї системи, для якої проектується ПОМ. Необхідно враховувати особливості оптичного лінійного тракту, оптичного приймального пристрою, враховувати системні характеристики, на які впливає ряд чинників.

Збільшення струму зміщення лазерного діода зменшує затримку оптичного імпульсу відносно електричного, призводить до збільшення середньої оптичної потужності, при цьому зменшується ширина спектра випромінювання, але збільшується фонове випромінювання (фонова підставка), підвищується температура кристала, збільшується швидкість його деградації.

Збільшення розмаху імпульсу струму накачування підвищує пікову потужність випромінювання, збільшення відношення потужності сигналу до фонової потужності, але призводить до розширення спектра випромінювання, отже, до збільшення хроматичної дисперсії у ВС.

Підвищення тривалості імпульсу струму накачування збільшує середню потужність випромінювача, та відношення потужності випромінювання до фону. Але збільшення тривалості імпульсу струму накачування, а, отже, і оптичного призводить до значної між символьної інтерференції, а, отже, до збільшення ймовірності помилки при прийомі.

Після розробки структурної схеми ПОМ, вибору випромінювача необхідно розробити електричну принципову схему, вибрати елементну базу. Швидкодійність активних елементів електричної схеми повинна бути досить високою, щоб зменшити часові затримки, тривалості наростання та спаду імпульсів, що призведе до мінімально можливих між символьних спотворень.

Размещено на Allbest.ru