Волоконно-оптическая линия передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Волоконно-оптическая линия передачи

1. Моделирование электрооптического преобразователя

электрооптический преобразователь цифровой диод

В волоконных системах информация переносится при помощи оптических пучков создаваемых источниками излучения (ИИ). Наиболее широко используются полупроводниковые ИИ - лазерные диоды (ЛД) и светоизлучающие диоды (СД) поскольку они имеют: 1) небольшие размеры, соответствующие малым диаметрам волокон; 2) твердотельную структуру совместимую с современными полупроводниковыми электронными приборами; 3) низкое энергопотребление. В большинстве систем информация «накладывается» на пучок света путем модуляции прямого тока (накачки), протекающего через источник излучения.

2. Параметры и характеристики светодиодов

Оптическая мощность, излучаемая светодиодом, прямо пропорциональна протекающему через переход прямому току накачки. Типичная зависимость мощности излучения от тока накачки, называемая ватт-амперной характеристикой (ВтАХ), приведена на рис. 1.1. Линейная зависимость может быть объяснена следующим образом. Ток i равен числу носителей заряда, инжектируемых в переход за одну секунду. Число носителей за секунду

N = i/e,

где e - заряд электрона. Если h оптическая мощность

P = hNWg = hWgi/e

Это соотношение является доказательством линейной связи между оптической мощностью и электрическим током. Энергия запрещенной зоны в соотношение подставляется в джоулях. Если она выражена в электронвольтах, то соотношение упрощается

P = hiWg

Значения мощности, приведенные на рис. 1.1, не являются мощностью, введенной в волокно. Ограниченная числовая апертура волокна значительно уменьшает величину введенной мощности. Используемые на практике светодиоды имеют токи накачки 50.100 мA при напряжении прямого смещения 1,2. 1,8 В.

Диод модулируется с помощью источника тока, который переводит СД из режима включено, в состояние выключено. Аналоговая модуляция требует, чтобы ток постоянного смещения I0 постоянно протекал через СД в прямом направлении. Без тока постоянного смещения отрицательная волна колебания тока сигнала заперла бы диод (смещала его в обратном направлении).

Отметим, что форма огибающей оптической мощности в точности соответствует форме волны изменения входного тока из-за наличия линейной зависимости мощность-ток. Возможные отклонения ВтАХ от линейной зависимости искажают сигнал. Если требуются низкие нелинейные искажения, то должна быть оценена (или измерена) линейность ВтАХ используемого источника.

Источник излучения также может ограничивать каналоемкость системы. На низких частотах модуляции

Pсп = а1I сп,

где а1 = DP/Di

На высоких частотах большая часть быстро изменяющегося тока протекает через емкость перехода и паразитные емкости, что уменьшает величину переменной составляющей оптической мощности. Однако, еще большее ограничение высокочастотной модуляции происходит вследствие времени жизни носителей t, которое равно среднему времени рекомбинации инжектированных носителей. Ток модуляции должен изменяться медленно по сравнению с t.

Следовательно, когда переменная составляющая мощности оптического сигнала уменьшается до 0,707 от максимальной, переменная составляющая продетектированного тока сигнала уменьшится в такой же пропорции, а электрическая мощность в приемнике (пропорциональная квадрату тока) уменьшится в 0,7072 = = 0,5 (т.е. на 3 дБ). По этой причине, величину 1/t называют модуляционной шириной полосы по уровню -3 дБ или электрическая шириной полосы пропускания по уровню -3 дБ. Ширина полосы пропускания СД

f-3дБ =1/2pt, Гц

Ширина полосы модуляции превышающая 300 MГц, была достигнута для поверхностных излучателей, но наиболее доступные серийные светодиоды имеют меньшую ширину полосы (обычно от 1 до 100 MГц).

Время нарастания источника tн - это время, которое требуется для того, чтобы выходная оптическая мощность изменилась с уровня 10% до уровня 90% от установившегося значения при входном сигнале в виде перепада тока. Входной ток заставляет оптическую мощность возрастать от нуля до установившегося значения. Выходной оптический сигнал соответствует форме волны сигнала, генерируемого широкополосным детектором, используемым для измерения этой мощности. Время нарастания и электрическая ширина полосы пропускания по уровню -3 дБ связаны соотношением

f-3дБ = 0,35/tн

Типичные значения времени нарастания составляют от нескольких наносекунд до 250 нс.

Известно, что ширина спектра излучения источника непосредственно влияет на значение волноводной и материальной дисперсии волокна. Уширение импульса вследствие этих причин линейно зависит от ширины спектра источника. Светодиоды, работающие в области 0,8. 0,9 мкм имеют ширину спектра 20.50 нм, а светодиоды длинноволновой области - 50.100 нм. Влияние увеличенной ширины спектра длинноволнового излучателя компенсируется существенно меньшим в этой области значением материальной дисперсией М.

3. Параметры и характеристики ЛД

Пороговый ток для этого диода равен 75 мA. При меньших токах наблюдается медленный рост оптической мощности при увеличении тока накачки. Выходное излучение не когерентно, поскольку вызвано спонтанной эмиссией в области рекомбинации (светодиодная область работы ЛД). Измерение ширины спектра показало бы значительное уменьшение ширины линии при превышении током накачки порогового значения. Значения порогового тока лежат в интервале 30.250 мA для большинства диодов. Напряжение прямого смещения составляет 1,2.2 В при пороговом токе. Прямой ток быстро повышается с увеличением напряжения на диоде. Видно, что при напряжении выше порогового, небольшое увеличение напряжения смещения переводит ток накачки в рабочую область.

Выходные мощности лазеров непрерывного режима лежат в области 1.10 мВт. Импульсные лазеры, работающие с малой скважностью, могут генерировать большие пиковые мощности (без опаски выхода из строя), но CW-лазеры, которые способны переключаться из режима включено, в режим выключено с высокой скоростью, более полезны для связи. Значение рабочего тока накачки составляет приблизительно 20.40 мA сверх порогового.

Работа при токах, превышающих указанные изготовителем, уменьшает срок службы (ресурс работы) диода.

Принцип осуществления цифровой модуляции лазерного диода отличается от цифровой модуляции светодиода. На ЛД подается ток постоянного смещения I0, равный пороговому току (режим передачи двоичного нуля). Он увеличивается до значения I0 + iс при передаче двоичной единицы путем подачи импульса положительной полярности с пиковым значением iс. Когда приложенное прямое смещение близко к пороговому значению, диод включается более быстро и ток сигнала может быть меньшим, чем в случае отсутствия смещения.

При аналоговой модуляции постоянное смещение должно превышать порог, так, чтобы работа происходила в линейной области ВтАХ. При передаче аналогового сигнала с низкими гармоническими искажениями линейность ВтАХ лазерного диода должна тщательно контролироваться.

Лазерные диоды обычно имеют ширину спектральной линии 1.5 нм, что значительно меньше, чем ширина спектра излучения светодиодов. Ширина спектра ЛД больше, чем у газовых лазеров, потому что излучательные переходы в полупроводнике происходят между энергетическими зонами, а переходы в газовых лазерах - между энергетическими линиями. Это явление приводит к ширине спектра намного большей, нежели обусловленной эффектом Доплера в газах. Спектр лазерного диода, работающего на l=1,3 мкм. Многочисленные пики соответствуют продольным модам лазера.

Когда ток накачки только немного превышает порог, лазерный диод имеет многомодовый спектр. При увеличении тока происходит уменьшение ширины спектра и числа продольных мод. При достаточно большом токе спектр будет содержать только одну моду. Как и ожидалось, ширина линии намного меньше (равна примерно 0,2 нм), чем у многомодового лазера. Диод с одной продольной модой минимизировал бы материальную дисперсию в волокне вследствие узкой спектральной линии.

4. Математическая модель электрооптического преобразователя

Rр (Вт/А) = DРо вх(Вт)/DIвх(А), rр(дБ) = 20lg [Rр(Вт/А)/1 Вт/А]

Рэ вх (Вт) = Rи(Ом), Ро вых (Вт) = Івх(А) Rр (Вт/А), и pо вых (дБм) = [pэ вх (дБм) + r

р (дБ) - rи(дБ) + 30 дБ]/2,

pэ вх (дБм) = 2pо вых (дБм) - rр (дБ) + rи(дБ) - 30 дБ,

где rи(дБ) = 10lg [Rи (Ом)/1 Ом)].

Значение Rр не всегда указывают изготовители ИИ. Оно может быть рассчитано по паспортным или экспериментальным данным согласно формуле, если известна или измерена мощность излучения, введенная в одно - (ОМ) или многомодовое (ММ) оптическое волокно (ОВ).

При эскизном проектировании могут быть использованы усредненные параметры полупроводниковых источников. На этом этапе имеется достаточно информации, чтобы выбрать длину волны несущей, тип волокна и источник света. Светодиоды могут использоваться совместно с многомодовым СОВ или ГОВ, но в различных областях оптического спектра. В ступенчатых волокнах преобладают модовые искажения.

Материальная дисперсия, обусловленная широким спектром светодиода в таких волокнах, не велика, и ею можно пренебречь. Уменьшение материальной дисперсии, достигаемое выбором лазерного диода, бессмысленно.

По этим причинам, светодиоды обычно выбираются для многомодовых линий связи со ступенчатыми ОВ. Системы, использующие многомодовые ступенчатые волокна и светодиодные источники возможно, по-прежнему будут использоваться в первом окне (0,8-0,9 мкм), где стоимость компонентов не велика. Светодиоды, излучающие в первом окне, не оптимальны для линий связи с градиентными волокнами, потому что материальная дисперсия вызывает значительно большее уширение импульса, чем модовые искажения. Преимущество градиентного волокна обычно исчезает при такой комбинации компонентов. Однако, во втором окне прозрачности (1,3 мкм) материальная дисперсия становится минимальной, даже со светодиодным источником излучения. Градиентное волокно и светодиод, работающий в длинноволновой области, могут использоваться для создания системы, передающей информацию с умеренно высокой скоростью на довольно большое расстояние.

Из-за более высоких начальных затрат и увеличенной сложности схемы лазерные диоды используются только тогда, когда это необходимо. Для систем дальней связи с большой емкостью они эффективны при использовании с многомодовыми градиентными или одномодовыми волокнами. Эти системы работают в первом или втором окне прозрачности. Во втором окне затухание в волокне ниже, что позволяет создавать более длинные тракты передачи.

Самые большие значения произведения длины на скорость передачи могут быть достигнуты, когда одномодовый лазерный диод, согласованный с одномодовым волоконным световодом, работает в одном из длинноволновых окон, где затухание волокон невелико.

Размещено на Allbest.ru