Волоконно-оптические системы передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Характеристика диапазона электромагнитных волн для оптической связи

Известный спектр электромагнитных волн простирается от постоянного электрического тока и низкочастотных колебаний до рентгеновских и гамма-излучений. На рисунке 1.1 представлены все участки этого спектра и определено местоположение диапазона, который называется оптическим.

В оптическом диапазоне видимый свет занимает участок спектра от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный) и граничит со стороны более коротких волн с ультрафиолетовым излучением, а со стороны более длинных волн - с инфракрасным излучением. Наибольшее применение для оптической связи имеет диапазон, который называют ближней инфракрасной зоной (0.8 ё 1.675 мкм). Его использование обусловлено двумя факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещенной зоны ряда полупроводников, т.е. кванты такого излучения могут порождаться и поглощаться с ионизацией лишь валентных электронов; этот диапазон отличается наибольшей прозрачностью в таких средах распространения волн как стекловолокно и воздушная атмосфера. Следовательно, существует возможность изготовления эффективных полупроводниковых приборов и согласование их со средами передачи.

Волнам оптического излучения присущи не только волновые явления (дифракция, интерференция), но и квантовые или корпускулярные. Хорошо известна связь параметров световой волны с энергией кванта (фотона):

(1.1)



где h - постоянная Планка 4,1х10- 5 эВ или 6,626х10- 34 Джс, f - линейная частота колебаний. Учитывая связь длины световой волны и частоты,

(1.2)

можно определить энергию фотона:

(1.3)

где с - скорость света в вакууме, округляемая до величины 3х10 8 м/с.

Рисунок 1.1. Спектр электромагнитных волн



Произведение hЧc имеет постоянное значение, например, часто употребляемое 1.24эВЧмкм.

Физика волновых оптических процессов включает изучение интерференции, дифракции и поляризации, использование законов геометрической оптики, электро- и магнитооптических эффектов. Квантово-механическая природа оптического излучения наиболее отчетливо проявляется в тепловой генерации и различных видах люминесценции, в фотоэффекте, процессах взаимодействия излучения с веществом, явлениях нелинейной оптики.

Ниже приведен пример оценки полосы частот оптического диапазона 0.8 ё 1.6 мкм.

Граничные частоты диапазона могут быть вычислены следующим образом:

f1 = c / l 1, f2 = c / l 2 ,

где с= 3 х 10 8 м/с, l 1 = 0,8 х 10 - 6 м, l 2 = 1,6 х 10 - 6 м.

Полоса пропускания указанного диапазона составит

D f = f1 - f2 = 3.75 х 1014 - 1,875 х 1014 Гц,

что соответствует 187,5 ТГц.



2. Принцип действия светодиодов

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии.

(3.2)

При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности (рисунок 3.1) или из торца (рисунок 3.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).

2.1 Конструкции светодиодов для оптической связи

В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рисунок 3.1) и торцевой (рисунок 3.2).



Рисунок 3.1. Конструкция поверхностного светодиода

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.

Рисунок 3.2. Конструкция торцевого светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.

2.2 Основные характеристики светодиодов

Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3. Ваттамперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.

Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться.

Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рисунок 3.4)

Рисунок 3.4. Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД Dl1 (около 10 ё 30 нм), для поверхностного СИД Dl2 (около 30 ё 60 нм).

Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок.

Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рисунок 3.5)



Рисунок 3.5. Угловая расходимость излучения

Угловая расходимость излучения оценивается на уровне уменьшения мощности в пространстве в два раза (РМАКС /2), что отмечено на рисунке точками на пересечении лучей и кривых распределения мощности. Для поверхностного СИД величины y и могут составлять 110..180 Для СЛД величины не равны и примерно составляют: x y 30Внешняя квантовая эффективность светодиода показывает долю выводимой мощности излучения от полученной в результате спонтанной рекомбинации

(3.3)

В [3, 8, 13] показано, что эта доля не превышает 2 - 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе "полупроводник - воздух" и "полупроводник - световод" из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).



3. Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую.

В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости.

Приборы на основе фотогальванического эффекта: фотодиоды, фототранзисторы, солнечные элементы.

Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.

К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

· высокая чувствительность;

· требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

· низкий уровень шумов;

· требуемое быстродействие;

· длительный срок службы;

· использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.

В большой степени этим требованиям отвечают фотодиоды.

Фотодиод - прибор, электрические свойства которого изменяются под действием падающего на него излучения.

В технике оптической связи наибольшее применение получили p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Перспективными приборами для высокоскоростных систем являются фотодиоды бегущей волны TAP (Travelling-Wave Photodetectors), используемые на скорости от 10Гбит/с до 160Гбит/с и выше. В этих приборах, фотодетектирование сочетается с оптическим усилением в полупроводниковом оптическом усилителе.



3.1 Фотодиоды конструкции p-i-n. Принцип действия, основные характеристики

Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью. Пример конструкции p-i-n фотодиода приведен на рисунке 5.1. В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р+ (база) и n+ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i - intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около /4) с показателем преломления , согласующим разные среды - стекловолокно (nОВ 1,46) и полупроводник (nПП 3,5). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон.

Рисунок 5.1. Конструкция p-i-n фотодиода

В основе работы фотодиода лежит обратно смещенный p - n переход. При нулевом смещении (ЕСМ = 0) ток дрейфа, протекающий через переход, сбалансирован противоположными токами из-за диффузии основных носителей. При ЕСМ 0 диффузия прекращается. Фототок возникает при освещении i - слоя излучением определенной длины волны. При этом образуются пары "электрон - дырка". На них воздействует поле, созданное источником ЕСМ и сосредоточенное в i - слое. Это поле заставляет дрейфовать электроны и дырки.

(5.1)

где е - заряд электрона (1,6 10 -19 Кл), N - число электронов, прошедших из валентной зоны в зону проводимости. Однако, не все фотоны вызывают образование пар "электрон - дырка". По этой причине вводится понятие квантовой эффективности:

(5.2)

- соотношение числа электронов и фотонов в фотодетекторе.

(5.3)

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

(5.4)

величина фототока может быть представлена



(5.5)

где h - постоянная Планка, с - скорость света, длина волны излучения.

Чувствительность фотодиода оценивается

(5.6)

Для фотодиодов характерна спектральная чувствительность за пределами длины волны

(5.7)

На рисунке 5.2 приведены характеристики спектральной чувствительности фотодиодов на основе кремния Si и германия Ge.

Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.

Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности. Эквивалентная электрическая схема фотодиода позволяет оценивать частотные свойства фотодетектора для электрических сигналов (рисунок 5.3).



Рисунок 5.2. Спектральная чувствительность фотодиодов

Рисунок 5.3. Эквивалентная электрическая схема фотодиода

На вольт-амперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение ЕСМ (т.е. Епроб) и величину темнового тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения (рисунок 5.4).

Темновой ток чаще всего обусловлен поверхностным током утечки. Он сильно зависит от температуры.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (рисунок 5.5).



Рисунок 5.4. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рисунок 5.5. Характеристика быстродействия

Величина б определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i - слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме "мезы" - горы [13].

Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 5.6.



Рисунок 5.6. Схема включения p-i-n фотодиода

В схеме включения разделительная емкость Ср позволяет устранить высокое напряжение смещения Есм (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать 60 дБ.



4. Общие принципы построения ВОСП

Под системой передачи Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) понимается совокупность технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети ЕАСС, состоящая из станций систем передачи и среды распространения сигналов электросвязи. Система передачи, предназначенная для передачи сигналов электросвязи цифровыми методами и в качестве среды распространения сигналов использующая оптическое волокно, называется цифровой волоконно-оптической системой передачи.

Волоконно-оптические системы передачи применяются на всех участках первичной сети ЕАСС для магистральной, зоновой и местной связи. Требования, которые предъявляются к таким системам передачи, отличаются числом каналов, параметрами и технико-экономическими показателями.

На магистральной и зоновых сетях применяются ЦВОСП, на местных сетях для организации соединительных линий между АТС также применяются ЦВОСП, а на абонентском участке сети могут использоваться как аналоговые (например, для организации канала телевидения), так и цифровые системы передачи.

Максимальная протяженность линейных трактов магистральных систем передачи составляет 830 км при средней длине порядка 500 км. Максимальная протяженность линейных трактов систем передачи внутризоновой первичной сети может быть не более 600 км при средней длине 200 км. Предельная протяженность городских соединительных линий для различных систем передачи составляет 80... 100 км.

На рис. 6.1 приведена обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи. В качестве оконечной каналообразующей аппаратуры используется аппаратура многоканальных систем передачи с частотным (ЧРК) или временным (ВРК) разделением каналов. Применение многоканальных систем передачи с ЧРК связано с определенными трудностями обеспечения требуемой помехозащищенности, особенно в части реализации требований к допустимым нелинейным переходным помехам. При выполнении этих требований длина усилительного участка оказывается соизмеримой с длиной усилительного участка (3 ... 6 км) многоканальных систем передачи на симметричных или коаксиальных кабелей, поэтому их применение на сети ЕАСС оказывается нецелесообразным по технико-экономическим показателям.

Известно, что при передаче сигналов электросвязи цифровыми методами полоса частот на один канал тональной частоты увеличивается примерно в 15,.. 20 раз. Одновременно увеличивается и помехозащищенность на 20 ,. , 40 дБ. Коэффициент затухания оптического волокна не зависит от частоты в широкой полосе частот (для одномодовых волокон -- до десятков гигагерц), увеличение полосы частот цифрового сигнала не приводит к заметному ухудшению технико-экономических показателей системы передачи, а высокая помехозащищенность позволяет увеличить расстояние между промежуточными пунктами в 10... 15 раз. В связи с этим на общегосударственной сети связи во всех странах применяют цифровые волоконно-оптические системы передачи.

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: 7 6 -- оконечная передающей н приемная аппаратура многоканальных систем передачи - 2 5 -- оконечная передающая и приемная аппаратура линейного тракта; 3 -- оптический кабель; 4-- промежуточная аппаратура линейного тракта

В настоящее время ЦВОСП создаются как сочетание волоконно-оптического линейного тракта (точки а на рис. 6.1) с унифицированной каналообразующей аппаратурой и аппаратурой группообразования цифровых систем передачи различных ступеней иерархии. Поэтому они имеют унифицированные параметры стыка, что позволяет без дополнительных согласующих устройств организовать комбинированные линии передачи, содержащие ЦВОСП и ЦСП с применением других сред распространения сигналов электросвязи. Основные характеристики современных ВОСП определяются параметрами оконечной и промежуточной аппаратуры линейного тракта (2, 4 и 5 на рис. 6.1), а также параметрами волоконно-оптического кабеля. Наиболее существенной особенностью линейных трактов ЦВОСП является большая длина участка регенерации, которая определяется двумя факторами: энергетическими соотношениями и дисперсионными искажениями. В современных ЦВОСП энергетический потенциал Э, определяемый как разность между уровнем мощности оптического сигнала Рпер, введенного в волокно, и уровнем мощности Рпр на входе приемного устройства, при котором коэффициент ошибок регенератора не превышает заданного значения, установленного для данной системы передачи, достигает 35... 50 дБ. Это зависит от скорости передачи, технического уровня элементов электрооптических и оптоэлектронных преобразователей, длины волны используемого источника излучения и других факторов.

Энергетический потенциал определяет максимально допустимое затухание оптического сигнала в оптическом кабеле, в разъемных и неразъемных соединениях на участке регенерации, а также другие потери в узлах аппаратуры. Исходя из энергетических параметров передатчика, приемника и потерь в линии максимально допустимую длину участка регенерации можно определить из следующего выражения:



где бк -- коэффициент затухания оптического кабеля; бс = Ас//-- удельные потери на стыках при неразъемном соединении строительных длин оптического кабеля (затухание соединения Лс, приведенное к одному километру); l -- строительная длина оптического кабеля; Аa-- дополнительные потери (3... 5 дБ) в аппаратуре передачи и приема (разъемные соединители, устройства соединения линейного кабеля со станционным и др.); 3 -- энергетический запас системы (6...10 дБ), необходимый для компенсации эффекта старения элементов аппаратуры и оптического кабеля, компенсации дополнительных потерь при ремонте оптического кабеля (стыки кабельных вставок) и других отклонений параметров участка в процессе эксплуатации.

Другим ограничивающим фактором при определении допустимой длины участка регенерации является дисперсия в оптическом волокне.

Как показано в гл. 2, в многомодовых волокнах оптический сигнал, модулированный по интенсивности, переносится направленными модами, которые имеют различные групповые скорости. Для оценки искажений в многомодовых волокнах используются амплитудные модуляционно-частотные характеристики A (F), показывающие, как меняется амплитуда модулированного сигнала на выходе волокна в зависимости от модулирующей частоты F. Ширина полосы частот градиентных волокон намного больше, чем ступенчатых многомодовых. Это объясняется тем, что разность групповых скоростей направляемых мод в градиентных волокнах значительно меньше, что достигается выбором определенного профиля показателя преломления.

В реальных многомодовых волокнах распределение диэлектрической проницаемости отлично от оптимальной. Вследствие этого разность групповых скоростей возрастает и ширина полосы частот ДF уменьшается. Для промышленных образцов оптических кабелей ДF = 0,5 ... 0,8 ГГц-км.

С увеличением длины волокна полоса частот ДF (L) уменьшается и для реальных градиентных волокон может быть приближенно определена из выражения

где ДF -- ширина полосы частот, приведенная к единице длины волокна (обычно на 1 км); г = 0,5...0,8---коэффициент, учитывающий влияние реального профиля показателя преломления и закон изменения полосы частот с увеличением длины волокна.

В табл. 6.1 приведены ориентировочные расчетные данные длины участка регенерации L, определенные на основании выражений (6.1) и (6.2) для градиентных волокон на различные диапазоны длин волн, а также ширина полосы частот а зависимости от длины волокна L для ДF, равной 500 и 800 МГц-км (для удобства расчета принят нижний предел г = 0,5).

Таблица 6.1

Из табл. 6.1 видно, что при больших значениях коэффициента затухания волокна (3...5 дБ/км) допустимая длина участка регенерации ограничена энергетическим потенциалом и составляет 12... 8 км, а ширина полосы частот на этих длинах позволяет использовать системы передачи со скоростью 140 и 280 Мбит/с. С уменьшением коэффициента затухания волокна (на длинах волн 1,3 мкм и особенно 1,55 мкм) рабочая полоса частот градиентных волокон падает настолько, что безыскаженная передача возможна только на малых скоростях (8 Мбит/с и в некоторых случаях 34 Мбит/с).

Для систем передачи со скоростью 140 Мбит/с и выше градиентные волокна не удовлетворяют требованиям и должны применяться только одномодовые волокна. В одномодовых волокнах искажения сигнала зависят от параметров волокна, источника излучения и полосы частот модулирующего сигнала.

При оценке ширины полосы частот ДF(L) одномодового волокна длиной L рассматриваются два случая:

1) ширина полосы частот источника излучения ДFист больше ширины полосы частот ДFм модулирующего сигнала или Длист>Длм, где Длист и Длм -- соответственно диапазон длин волн, излучаемый источником излучения, и диапазон длин волн модулирующего сигнала. Для этого случая справедливо соотношение

светодиод оптический сигнал

где k -- коэффициент, зависящий от формы сигнала; ф--обобщенное значение дисперсии в одномодовом оптическом волокне (включая дисперсию мод, материальную и другие факторы, влияющие на искажения сигнала). Обычно измеренное ф(пс) приводят к единице длины волокна (на 1 км) и к единице ширины диапазона длин волн, излучаемого источником (на 1 нм), поэтому чаще всего дисперсию измеряют в пс/(нм-км).

Пример. Определить допустимую для безыскажснной передачи ширину полосы частот одномодового оптического волокна при длине волны лист=1.3 мкм, ф =6 пс/км?нм, лист =2 нм и гауссовской фирме сигнала, для которой к = 1,3. На основании выражения (6.3) для волокна длиной 1 км



или полоса частот волокна длинен 1 км составляет 100 ГГц. км. При длине волокна 50 км ДF(50)=2 ГГц. Проверим, удовлетворяется ли начальное условие Длист>Длм если даже сигнал заполняет всю полосу частот оптического волокна:

следовательно, Длм =1,1 нм и Длист>Длм

2) ширина полосы частот источника излучения меньше ширины полосы частот модулирующего сигнала, т. е. ДFист<ДFм или Длист<Длм.

Для определения рабочей полосы частот одномодового волокна длиной L при указанном условии можно воспользоваться выражением

При распространении по оптическому кабелю, обладающему ограниченной шириной полосы частот и определенным затуханием, линейный сигнал, представляющий собой импульсную последовательность, искажается, изменяясь по форме и длительности, нарушаются тактовые интервалы, уменьшается их амплитуда и возникает межсимвольная интерференция. Дискретный сигнал превращается в квазинепрерывный. Для восстановления параметров сигнала в линии связи на определенных расстояниях друг от друга включают промежуточные регенерационные устройства.

В тех случаях, когда длина линии ограничивается энергетическим потенциалом, а по дисперсионным искажениям (или по полосе частот) имеется достаточный запас, для увеличения дальности связи на промежуточных станциях можно устанавливать оптические усилители, число которых (п) будет ограничено не только искажениями на общей длине оптического кабеля (nL), но и рабочей полосой частот оптического усилителя. Поэтому через определенное число усилителей устанавливают регенераторы. Такие системы называют «гибридными», так как на линии устанавливают и усилители, и регенераторы.

В тех же случаях, когда длина участка регенерации ограничивается дисперсионными искажениями, для увеличения дальности передачи необходимо в промежуточных пунктах устанавливать регенераторы, восстанавливающие форму сигнала и временные интервалы в передаваемой импульсной последовательности. В настоящее время еще не созданы элементы и устройства, работающие в оптическом диапазоне длин волн для обработки оптического сигнала, выделения тактовой частоты и формирования линейного сигнала. Поэтому в современных системах передачи эти функции выполняют электронные узлы (9) промежуточного регенератора (рис. 6.2). Цифровой линейный сигнал детектируется в приемной части регенератора фотоприемным устройством (8), после регенерации поступает на электрооптический преобразователь (W) и далее в оптический кабель (7) следующего участка.



На оконечных станциях ЦВОСП, как было указано выше, используется унифицированная многоканальная аппаратура ЦСП всех ступеней иерархии. Каналообразующая аппаратура ИКМ (I и 16), а также аппаратура временного группообразования (2 и 15} имеет стандартные стыки в точках а и 6. В соответствии с рекомендациями МККТТ G.703 для первой (скорость 2,048 Мбит/с), второй (скорость 8,448 Мбит/с) и третьей (скорость 34,368 Мбит/с) ступеней иерархии рекомендован трехуровневый код HDB-3, алгоритм работы которого построен следующим образом (рис, 6.3, а). Единицы двоичного сигнала передаются импульсами чередующейся полярности с длительностью, равной половине тактового интервала. Когда передаются нули двоичного сигнала, если их не более трех, следующих друг за другом, импульсы на тактовых интервалах отсутствуют. Если в последовательности число нулей, следующих друг за другом, равно четырем, то они могут передаваться двумя способами: либо кодом ОООУ, где У означает импульс, сохраняющий полярность предыдущего импульса,



времени предыдущей комбинации 0000 прошло нечетное число единиц группового сигнала, либо кодом ВООУ, где В означает импульс, имеющий полярность, противоположную полярности предыдущего импульса, если прошло четное число единиц времени.

Для четвертичной ступени иерархии (скорость 139,264 Мбит/с) в качестве стыкового кода рекомендован код CMJ, алгоритм построения которого определен следующим образом (рис. 6.3,6), Символ «О» двоичного сигнала передается двумя символами 0 и 1, каждый из которых занимает половину тактового интервала. Символ «I» исходного сигнала передается попеременно комбинациями 00 и 11. Частота следования стыкового сигнала в 2 раза больше частоты исходной последовательности, и поэтому код CMI принадлежит к коду типа 1В2В.

Применение кода HDB-3 в линейном тракте ВОСП нецелесообразно, поскольку двухуровневый сигнал с переменной полярностью в электрических цепях превращается в трехуровневый в оптическом тракте (рис. 5.3, в) мощность сравниваемых символов при принятии решения оказывается в 2 раза меньше что эквивалентно уменьшению мощности передатчика в 2 раза. Кроме того, специфика шумов фотоприемного устройства и других элементов вносит дополнительные потери в помехозащищенность. В связи с этим в аппаратуре линейного тракта применяют преобразователи (см. узел 3 - рис. 6.2) кода HDB-3 (для первых трех ступеней иерархии) в линейный код типа nВmВ и декодирующее устройство (12). Для четвертичной системы передачи отечественного производства также применяют преобразователи кода, так как хотя код CMJ и однополярный, но он увеличивает линейную скорость в 2 раза.

В первичной системе передачи (30 каналов ТЧ) используется бифазный код; во вторичной (120 каналов ТЧ), предназначенной для соединительных линий ГТС («Соната-2»), используется код CMJ; во вторичной и третичной (480 каналов ТЧ) системах, предназначенных для внутризоновых сетей («Сопка 2>> и «Сопка-3»). используется код 5В6В, а в четвертичной системе (1920 каналов ТЧ) --код класса 10B1P1R.

Во всех случаях предусматривается система технического обслуживания (узлы 5 6, 13, 14, 17, 18 рис. 6.2), обеспечивающая контроль состояния и обслуживание линии и аппаратуры в процессе эксплуатации в ее состав входят:

система телемеханики (телеконтроль и телеуправление), обеспечивающая телеметрический контроль качества передачи сигнала и технического состояния промежуточного оборудования и кабеля с оконечных станций, отображение результатов контроля, а также дистанционное управление личными устройствами переключения и коммутации;

система служебной связи, обеспечивающая проведение служебных переговоров между оконечными и любыми промежуточными станциями процессе пуско-наладочных, ремонтных и профилактических работ;

система сигнализации.

Для передачи сервисных сигналов используются свойства избыточности линейных кодов («Сопка-4») либо частотными методами уплотнения ( ка-2» и «Сопка-3») в нижней части энергетического спектра информационной последовательности организуют дополнительные каналы сервисных систем.



5. Характеристика физических сред для передачи оптических сигналов

Распространение оптических электромагнитных волн может происходить в различных физических средах: в атмосфере, в волоконных световодах, выполненных из различных материалов (стекла, полупроводников, пластмасс), в волноводах интегральных микросхем, в ближнем и дальнем космосе.

Для реализации систем передачи наибольший интерес представляют такие физические среды как стеклянные и полупроводниковые волокна, волноводы микросхем и атмосфера Земли. К важнейшим характеристикам сред распространения оптических излучений необходимо отнести следующие показатели и зависимости.

(1.4)

где e и m - показатели диэлектрической и магнитной проницаемости среды, значение n для любого вещества всегда больше 1, т.к. скорость распространения оптических волн v всегда меньше в среде по сравнению с вакуумом с (1.5):

(1.5)

Зависимость показателя преломления от длины волны излучения характеризует дисперсию фазовых скоростей распространения света в веществе (рисунок 1.2).



Рисунок 1.2. Зависимость n (l )

Нелинейная зависимость показателя преломления от величины мощности оптического излучения (квадратичная, кубичная)

(1.6)

обусловлена свойствами некоторых сред при высокой плотности мощности светового потока (107...109 Вт/см2). Такая плотность мощности обычно создается лазерными источниками когерентного излучения.

Поглощение оптического излучения в материалах вызвано квантовыми переходами между различными молекулярными уровнями вещества. Например, в стекле (SiO2) пик поглощения приходится на длину волны 9,2 мкм, однако его "хвост" тянется до диапазона 0,8 ё 1,6 мкм. Кроме того, в стеклянных волокнах большую роль играют примеси гидроксильных ионов ОН` переходных металлов Fe, Ni, Cr, V, Cu, которые приводят к большой неравномерности характеристики затухания (рисунок 1.3)

Рассеяние оптического излучения может происходить на малых неоднородностях материалов, габариты которых сопоставимы с длиной оптической волны, в том числе на малых изгибах волноводов.

Характеристика затухания стекловолокна из-за поглощения и рассеяния имеет характер "окон прозрачности" с ограниченными диапазонами частот, которые рекомендованы для систем передачи. При этом параметры затухания нормированы для применения в системах передачи (рисунок 1.4).

Рисунок 1.3. Спектральные характеристики затухания стеклянного волокна

Рисунок 1.4. Нормированная характеристика затухания одномодового стекловолокна согласно рекомендации МСЭ-Т G.957



Рисунок 1.5. Характеристики улучшенного стекловолокна G.652

Для волоконных световодов с улучшенными характеристиками, приведенными на рисунке 1.5 (без "водяных пиков" и примесного поглощения), определены оптические диапазоны волн передачи (таблица 1.1)

Таблица 1.1. Оптические диапазоны улучшенного стекловолокна G.652

О - диапазон	1260-1360 нм	Основной
E - диапазон	1360-1460 нм	Расширенный
S - диапазон	1460-1530 нм	Коротковолновый
C - диапазон	1530-1565 нм	Стандартный
L - диапазон	1565-1625 нм	Длинноволновый
U - диапазон	1625-1675 нм	Сверхдлинный

Распространение оптического излучения в атмосфере сопровождается двумя существенными для оптической линии связи процессами: флуктуациями принимаемого сигнала из-за рефракции излучения на турбулентных неоднородностях воздуха и аэрозольными рассеянием и поглощением на частицах дождя, тумана, снега, промышленных выбросах, пыли. Кроме того, поглощение излучения в атмосфере зависит от длины волны, и эта зависимость имеет характер окон прозрачности (рисунок 1.6).



Рисунок 1.6. Поглощение оптического излучения атмосферой

Поглощение света атмосферой зависит и от содержания в ней водяных паров и углекислого газа вдоль пути распространения световой волны, концентрация которых в свою очередь зависит от влажности воздуха и высоты.

Конструкции оптических волноводов и оптические характеристики материалов волноводов определяют целый ряд параметров сред передачи оптических сигналов: апертуру ввода излучений в волновод; модовый спектр волновода; затухание; дисперсионные искажения оптических импульсов, возникающие из-за различной скорости распространения спектральных компонентов в волноводе (рисунок 1.7), поляризационную чувствительность.

D(л)= (1.7)

Рисунок 1.7. Дисперсия оптического импульса



Причинами дисперсии в оптоволокне принято считать:

· различие скорости распространения световых мод, образующих межмодовую дисперсию (t м м);

· направляющие свойства оптического волновода, образующие волноводную дисперсию (t в);

· свойства материала оптоволокна, создающие материальную дисперсию (t м);

· различие скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих моды, обусловленных двойным лучепреломлением волокна, образующее поляризационную модовую дисперсию (t п м).

Дисперсия имеет размерность [с/км].

Волноводная и материальная дисперсия образуют хроматическую, зависящую от ширины спектра моды излучения. Поэтому хроматическая дисперсия имеет размерность [с/нмЧкм], где нм - единица ширины спектра излучения.

Поляризационная модовая дисперсия имеет размерность [с/Ц км].

Совокупная дисперсия оптического волокна оценивается соотношением (1.8):

D2(л)= (1.8)

В многомодовых волокнах преимущественно учитывается t м м.

В одномодовых волокнах учитывается сумма t м+ t в и при высоких скоростях передачи данных (около 10 Гбит/с и выше) - t п м. Однако сумма t м+ t вможет быть близкой к нулю, что обусловлено различным характером дисперсии, которая , в свою очередь, определяется конструкцией волновода.

Дисперсия оптических импульсов в среде распространения может привести к межсимвольным помехам в сигналах и искажению передаваемых сообщений, поэтому дисперсия в волоконно-оптических линиях связи имеет нормированные значения для определенных спектральных диапазонов (рисунки 1.5, 1.8, 1.9). Это волоконные световоды с нулевой дисперсией на волне 1310 нм (SM, по рекомендации G.652), световоды со смещенной (DS, по рекомендации G.653) и смещенной ненулевой дисперсией (NZDS, по рекомендациям G.655, G.656): Tera Light, Pure Guide, E-LEAF, True Wave.

Рисунок 1.8. Характеристика дисперсии одномодового стекловолокна SM, оптимизированного для длины волны 1.31 мкм

Рисунок 1.9. Характеристика дисперсии одномодовых стекловолокон SM, DS, NZDS для длины волны 1.55 мкм



Рисунок 1.10. Характеристики показателей преломления одномодовых стекловолокон для минимума дисперсии на 1310нм и около 1550 нм

С другими примерами характеристик затухания и дисперсии волоконных световодов можно детально ознакомиться в литературе.

Нелинейно-оптические эффекты в средах распространения рассматриваются как результат взаимодействия оптического излучения (оптического поля) с множеством атомов и молекул. Эти эффекты могут приводить как к поглощению световых волн и их рассеянию, так и к усилению. Для усиления световых волн среда распространения должна иметь инверсное (возбужденное состояние), в котором она может отдавать часть своей энергии световому полю. Подобные среды в технике оптических систем связи представляют собой полупроводниковые и стекловолоконные световоды с редкоземельными примесями (ионами эрбия Er, неодима Nd, празеодима Pr, тулия Tm). Нелинейно-оптические эффекты имеют уже устоявшуюся классификацию и достаточно хорошо изучены.

· вынужденное комбинационное рассеяние и усиление;

· вынужденное бриллюэновское рассеяние;

· фазовая самомодуляция;

· четырехфотонное смешение и некоторые другие [61, 62, 63, 64].

Поляризационные свойства физических сред распространения оптических волн обусловлены оптической неоднородностью (анизотропией) и могут иметь как естественное (природное), так и конструктивное происхождение.



Рисунок 1.11. Поляризация на границе раздела оптических сред

Поляризация световой волны, т.е. придание волне определенных свойств по распределению напряженности электрической и магнитной составляющих поля, может происходить в результате отражения от границы раздела оптических сред с разными показателями преломления (рисунок 1.10).

В средах с анизотропными оптическими свойствами, например, в кварце, исландском шпате, слюде, естественный свет подразделяется на две линейно поляризованные в различных плоскостях волны, которые распространяются с различными скоростями. Это явление называется двойным лучепреломлением.

В ряде изотропных материалов, например, в жидкостях типа нитробензола, возможно искусственное создание эффекта двойного лучепреломления при помещении вещества в сильное электрическое поле. Идея создания определенных свойств оптических материалов реализована в различных приборах на основе линейного электрооптического эффекта Поккельса и нелинейного оптического эффекта Керра [2, 65].

Распространение световых волн в волоконных световодах связано с законами оптики (отражения, преломления) и обусловлено процессами образования оптических мод т.е. определенных типов колебаний. Описание этих процессов можно также найти в многочисленной литературе. Однако для облегчения изучения ряда сложных разделов ниже приведены некоторые определения из классической физики.

При падении луча света на границу раздела двух сред могут наблюдаться следующие эффекты: луч света преломляется; луч света отражается; луч света распространяется вдоль границы раздела сред. Эти эффекты зависят от соотношения показателей преломления сред и угла падения света. Связь этих параметров устанавливает закон Снеллиуса (голландский ученый 1580-1620гг):

, (1.9)

где a - угол падения, b - угол преломления, V1 -скорость света в среде 1, V2 - скорость света в среде 2. На рисунке 1.12 приведен пример распространения света на границе раздела сред.

Рисунок 1.12. Световые лучи на границе раздела физических сред

Условие Брэгга-Вульфа устанавливает связь периодической среды с направлением эффективно дифрагирующих лучей света и длиной волны излучения



2ЧdЧSinQ = mЧл, (1.10)

где d- расстояние между отражающими элементами, Q- угол между падающим лучом и отражающей плоскостью, л- длина волны излучения, m- порядок дифракции. Для справки: Брэгг У.Л. (1862-1942гг) английский физик, Вульф Г.В. (1863-1925) российский физик.

4. Принципы построения солитонных волоконно-оптических систем передачи

Принципы построения солитонных ВОСП отображены на рисунках 10.2 - 10.5. В качестве передающей среды используются ОВ с низкими потерями мощности. Благодаря малым потерям солитоны могут распространяться на большие расстояния без применения специальных устройств компенсации потерь (рисунок 10.3).

Рисунок 10.3. Построение простой солитонной ВОСП

На выходе солитонного лазера генерируется непрерывная последовательность солитонов с заданной скважностью (обычно Q=TС/? ? 10). Последовательность солитонов проходит через изолятор и модулятор (например, ЭОМ), в котором импульсная последовательность модулируется. На выходе линии сигналы регистрируются фотоприемным устройством (ФПУ). Применение периодической компенсации потерь мощности позволяет увеличить дальность передачи (рисунок 10.4).



Рисунок 10.4. Солитонная ВОСП с оптическим рамановским усилителем

Для поддержания мощности солитонов применяются рамановские усилители с накачкой по длине волны, отличающейся от длины волны информационного сигнала. В схеме используется оптический фильтр (Ф), не пропускающий излучение накачки в ФПУ.

Возможен другой вариант построения солитонной ВОСП с эрбиевыми усилителями (рисунок 10.5). При этом усиление происходит не на всей длине участка передачи, а только в усилителях (длина волокна до 100 м). Преимуществом является то, что применяется меньше источников накачки и с существенно меньшей мощностью.

Рисунок 10.5. Солитонная ВОСП с оптическим усилением на основе эрбия

Необходимо отметить, что возможно совместное использование эрбиевых и рамановских усилителей в солитонных ВОСП. Структурная схема солитонной ВОСП, приведенная на рисунке 10.6, соответствует случаю построения системы без усилителей. Однако протяженный участок существования солитонов достигается благодаря использованию в линейном тракте дискретной последовательности одномодовых оптических волокон с постоянной дисперсией (Д) в пределах каждого i-го участка по убывающей по заданному закону от участка к участку.

Рисунок 10.6. Солитонная ВОСП с различными волокнами

В завершение необходимо отметить особенность солитонного лазера. Это устройство, в котором происходит генерация очень коротких импульсов (единицы пс и фемтосекунды фс), достигаемая за счет компрессии импульсов с длительностью нс. Примеры характеристик с некоторых экспериментальных солитонных ВОСП приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1. Характеристики экспериментальных солитонных ВОСП



В 1998 году в журнале EuroPhotonics появилось сообщение о успешном завершении испытаний серийной четырёхканальной дуплексной системы WDM (T31-BDS Pirelli) совместно с оборудованием SONET OC-192 на скорость передачи 10Гбит/с по одному каналу в солитонном режиме. В составе оборудования использованы: блок генератора солитонных импульсов; преобразователь линейного кода RZ/NRZ; волокна для компенсации дисперсии DCF; регенераторы устанавливались на длине 450км через 92км.

Система передачи нового поколения Lambda Xtreme Transport компании Lucent Technologies обеспечивает передачу цифровых данных на скорости до 2.56 Тбит/с в режиме DWDM (64 волновых канала по 40Гбит/с в каждом) на дальность до 4000км без электрической регенерации сигнала. Для достижения этих возможностей применяются: солитонные блоки передачи, рамановские усилители, упреждающая коррекция ошибок FEC.



Литература

1.Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. -- 4-е изд. -- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.

2.Кудряшов Ю. Б., Перов Ю. Ф. Рубин А. Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник для ВУЗов. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.

3.Оптические системы связи / Дж. Гауэр - М.: Радио и связь, 1989;

4.Волоконные световоды для передачи информации / Дж. Э. Мидвинтер. - М.: Радио и связь, 1983;

5.Оптические кабели / И. И. Гроднев , Ю. Т. Ларин , И. И. Теумен. - М.: Энергоиздат, 1991;

6.Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника: Учебник для вузов/ А.Н. Пихтин - М.: Высшая школа, 2001.

Размещено на Allbest.ru