Волоконно-оптические системы передачи. Радиорелейные и спутниковые системы передачи

Размещено на http://www.allbest.ru

Волоконно-оптические системы передачи. Радиорелейные и спутниковые системы передачи

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОСП

волоконный связь передача радиорелейный

В настоящее время в развитых странах волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) широко внедряются на всех участках сетей связи. По сравнению с существующими системами связи на медных кабелях ВОСП обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяющая организовывать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов с дальнейшим их наращиванием, а также предоставлять абоненту наряду с телефонной связью любые виды услуг связи (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, телематическое и справочное обслуживание, рекламу, местную связь и др.); высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и возможность организации регенерационных участков большой протяженности; значительная экономия меди и потенциально низкая стоимость оптического кабеля (ОК) и др.

На передающей станции А (рис. 8.1) первичные сигналы в электрической форме поступают на аппаратуру системы передачи (СП), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. При распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение.

Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые или необслуживаемые станции, где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания.

На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т. д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический и обратным преобразованием на выходе. В принципе возможно построение чисто оптических промежуточных станций на основе оптических квантовых усилителей. На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности (МИ), поляризационнук модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем большинстве случае применяется модуляция по интенсивности оптического излучения При фиксированных пространственных координатах мгновенно» значение электрического поля монохроматического оптической излучения можно записать в виде Е (t)=EM cos (щ0t=ц0), где Ем -- амплитуда поля; щ0 и ц0 -- соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности Рмг= = E2(t) =E2Mcos2(щ0t+ц0), а усреднение по периоду T0 = 2р/щ0 дает величину Р=0,5Е2м,которая называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно величина Р изменяется в соответствии с модулирующим сигналом c(t), т. е P(t)~c(t). Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов -- фотонов с энергией hf0, где h -- постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью (количеством в единиц времени) потока фотонов J = P/hf0. Следовательно, при модуляции интенсивности J(t) ~ с (t).

Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции шАироком диапазоне частот выполняется для используемых в оптических передатчиках полупроводниковых источников излучении (светодиодов, лазерных диодов) простыми техническими средствами. Для управления интенсивностью излучения полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Модуляция по интенсивности оптического излучения приводит и к простым решениям обратного преобразования оптического сигнала электрический. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной то которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля т. е. мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала.

Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относится к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энергетический прием). Другим методом приема является метод фотосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный прием).

Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимаемого оптического сигнала.

Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что частоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с необходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гетеродина.

В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП используются цифровые системы передачи, т. е. ВОСП строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими показателями и др. Аналоговые СП пока не применяются на волоконно-оптических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности источников оптического излучения и технической сложности обеспечения требуемой помехозащищенности. Тем не менее исследования в области аналоговых ВОСП показывают их перспективность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи).

В настоящее время ВОСП строятся как двухволоконные одно-полосные однокабельные (рис. 8.2). При таком построении передача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны X. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически отсутствуют, тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными.

К достоинствам данной схемы организации связи следует отнести однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных станций. Существенным недостатком является весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.

С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости ВОСП, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности ОВ за счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному ОВ при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ) и в линии промежуточных корректирующих усилителей (ПКУ) (рис. 8.3). Особенностью данной схемы является использование ОВ для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине волны.

Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является наличие переходных помех между информационными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рассеяния в ОВ, ответвителях, из-за отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии. Помеху обратного рассеяния можно разделить на постоянную и частотно-зависимую переменную, влияние которых на чувствительность фотоприемного устройства различно. В табл. 8.1 приведены результаты расчетов постоянной составляющей Ао переходного затухания.

Как видно из табл. 8.1, максимальное значение А0 = 39 дБ достигается в одномодовом ОВ (ООВ) при л = 1,3 мкм.

На рис. 8.4 показаны кривые зависимости переходного затухания переменной составляющей от скорости передачи информации В для многомодовых и одномодовых волокон. Значение Арастет с увеличением скорости передачи информации и имеет максимальное значение в диапазоне 1,55 мкм. Уровень переменной составляющей помехи с увеличением В уменьшается, крутизна спада равна примерно 10 дБ/окт. Оптимальный режим работы двусторонней ВОСП, при котором уровень переходной помехи минимален, достигается при л= 1,55 мкм и скорости передачи информации по ООВ более 35 Мбит/с.

Наибольший интерес представляют ВОСП со спектральным разделением (ВОСП-СР). Такие системы строятся как одноволоконные многополосные однокабельные (рис. 8.5). На передающей станции электрические сигналы от п систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн л1,л2, л3... ,лn. С помощью мультиплексоров (МП) и демульти-плексоров (ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на передаче и разделение на приеме. Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разделенных оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования пропускной способности волокна. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента

затухания оптического кабеля в пределах используемого спектрального диапазона от частоты (или длины волны) оптической несущей.

Принцип работы мультиплексора и демультиплексора основан на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции. В основе их структуры может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.

В многослойных структурах (рис. 8.6) можно выбрать волновую зону прозрачности и ширину этой зоны. Конструктивно мультиплексор-- это многослойная диэлектрическая структура, зажатая с обеих сторон двумя стержневыми линзами. Торцевые поверхности линз покрыты поглощающей пленкой диэлектрика. Оптические оси линз и волокон смещены друг относительно друга. В большинстве случаев эти устройства имеют следующие характеристики: число волн 2--6, прямые потери 2... 5 дБ, переходное затухание 20... 40 дБ, интервалы между длинами волн 30... 100 нм.

В мультиплексорах на основе дифракционной решетки (рис. 8.7) используется зависимость угла дифракции луча, проходящего через дифракционную решетку отражательного типа, от длины волны. Следовательно, размещая ОВ в местах образования светового пятна, соответствующих различной длине волны, можно добиться разделения световых волн по длине. Конструктивно такие МП выполняются следующим образом. К одному из торцов стержневой линзы приклеена отражательная дифракционная решетка. Разделительные свойства фильтра определяются избирательностью дифракционной решетки по длине волны и диаметром сердечника входных и выходных ОВ. Ширина полосы пропускания пропорциональна диаметру сердечника, поэтому для ее расширения используются входные и выходные оптические волокна большего диаметра. Мультиплексоры на основе дифракционной решетки имеют следующие характеристики: полоса прозрачности около 20 нм, прямые потери не более 4 дБ, переходное затухание до 40 дБ.

Относительно высокие плотности оптической энергии в ОВ вызывают заметное проявление нелинейных эффектов. В ВОСП-СР наиболее заметным из них является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР), который обусловлен резонансным взаимодействием оптических несущих с оптическими фотонами вещества волокна.

В результате эффекта УВКР в ОВ наблюдаются взаимодействие между оптическими сигналами различных каналов, которое выражается уменьшением мощности оптических несущих с меньшей длиной волны и увеличением за счет этого мощности оптических несущих с большими длинами волн. Перекрестные помехи, вызванные эффектом УВКР в ВОСП-СР, характеризуются условным отношением сигнал-шум С/Ш = 101gP1/Pi--Р1 где Р1 -- мощность оптического сигнала в ОВ одной несущей при отсутствии УВКР помехи; Р1 -- то же, но при воздействии УВКР помехи. На рис. 8.8 показаны зависимости отношения сигнал-шум для двухканальной ВОСП-СР протяженностью 50 км от мощности подводимого излучения при P1 = P2, л= 1,55 мкм, б1= б2=0,2 дБ/км для различных ?л и от разноса оптических несущих ?л при различных уровнях мощности подводимого излучения Pi.

Анализируя зависимости, можно отметить, что заметное (более 20 дБ) подавление УВКР-помехи в ВОСП-СР может быть обеспечено даже при сравнительно больших (несколько милливатт) мощностях излучения в ОВ, если разнос спектральных несущих не превышает 10 нм. Это указывает на целесообразность использования в ВОСП-СР мультиплексоров и демодуляторов, а также излучателей с высокой разрешающей способностью по длине волны. Данное условие согласуется с рекомендациями по построению ВОСП-СР с минимальным разносом несущих, основанными на оценках энергетического потенциала и широкополосности таких систем.

Изменение отношения сигнал/шум, обусловленное УВКР, наиболее заметно на начальном участке ОВ и практически не зависит от уровня мощности передаваемых сигналов. При длине ОВ более 15 км влияние эффектов УВКР стабилизируется.

При использовании OB в качестве среды распространения информационных сигналов можно использовать различные методы его уплотнения: временное, пространственное, частотное и спектральное.

2 МЕТОДЫ УПЛОТНЕНИЯ ВОЛС

Временное уплотнение. Данный метод предполагает объединение нескольких информационных потоков в один. Объединение может быть осуществлено на уровне электронной аппаратуры (электрических сигналов) и на уровне оптических сигналов. При объединении электрических сигналов (рис. 8.9) две серии импульсов (может быть N источников), поступающие с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал. Последний в оптическом передатчике модулирует оптическую несущую. Оптическое излучение распространяется по ОВ и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы А' и В'.

Схема объединения оптических цифровых потоков показана на рис. 8.10. Электрические цифровые потоки от V источников поступают на N оптических передатчиков, в которых осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на ?t,2?t,3?t...; (N--I)?t. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) имеем последовательность оптических импульсов. На приеме осуществляется обратное преобразование.

При временном уплотнении требуется передача коротких (10-9с и менее) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонент приемопередающей аппаратуры ВОСП, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами оптического волокна.

К основным достоинствам временного уплотнения относятся: увеличение коэффициента использования пропускной способности оптического волокна (уже экспериментально достигнуты скорости передачи 8... 16 Гбит/с); возможность создания полностью оптической сети связи.

Пространственное уплотнение. Этот метод использует преимущества оптических волокон: гибкость и малые размеры. Это позволяет создавать оптический кабель, содержащий несколько десятков ОВ. При таком методе (рис. 8.11) число ВОСП равно числу ОВ в оптическом кабеле, а следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком пространственного уплотнения являются большой расход оптического волокна, значительные затраты на каблирование, а следовательно, и высокая стоимость линейного тракта. Для магистральных ВОСП, где стоимость 1 кан*км определяется в основном стоимостью кабеля, метод пространственного уплотнения не обеспечивает улучшения технико-экономической эффективности.

Частотное уплотнение (гетеродинное). В системах передачи с частотным уплотнением исходным сигналам различных источников информации в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного сигнала требуются близко расположенные стабильные оптические несущие. Однако нестабильность линии излучения, полупроводниковых лазеров, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных-каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного с помощью сдвига оптинеской несущей.

Оптическое излучение с выхода лазерного источника излучения (ИИ) (рис. 8.12), содержащего ряд несущих f1,f2,f3…,fN, поступает на анализатор А1 представляющий собой призму Глана--Тейлора, а затем, пройдя четвертьволновую призму, -- на фильтр первого канала Ф1. Этот фильтр пропускает оптическую несущую первого канала f1 к оптическому модулятору ОМ1 где она и модулируется. Оптическое излучение с частотами f2, f3, … , fn (т. е. кроме f1) отражается фильтром и возвращается к анализатору A1, по пути к которому вторично проходит через четвертьволновую призму и попадает на анализатор А2. Оптическая несущая первого канала, промодулированная в оптическом модуляторе ОМ1 информационным сигналом, отражаясь от зеркала, также возвращается к анализатору А1

Плоскость поляризации оптического сигнала, дважды прошедшего четвертьволновую призму, поворачивается на р/2 по отношению к плоскости поляризации исходного колебания, в связи с чем световой пучок отклоняется в призме и выходит из нее. Далее общий сигнал поступает на анализатор А2 и процесс повторяется, с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой f2. Таким образом формируется оптический групповой сигнал, поступающий в оптическую линию связи.

На приеме оптический групповой сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А1 (рис. 8.13), а затем после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала -- на оптический смеситель (00). Фильтр Ф1 пропускает только оптический сигнал с частотой f1 остальные сигналы отражаются и поступают на А2.

Оптическая промодулированная несущая с частотой f1 перемножается в ОС с частотой местного гетеродина, затем промежуточная частота f Пр выделяется полосовым фильтром (ПФ) и поступает на фотодетектор (ФД). на выходе которого формируется электрический сигнал. Таким образом, прием осуществляется гетеродинным способом. Аналогично происходит детектирование сигнала во всех остальных каналах.

Достоинства метода частотного (гетеродинного) уплотнения заключаются в том, что длина участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 100... 200 км; значительно повышается коэффициент использования пропускной способности оптического волокна. К недостаткам относится то, что при данном методе требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также целый ряд дополнительных устройств: сдвигателей частоты, оптических вентилей, контроллеров поляризации, оптических усилителей, системы автоподстройки частоты и т. п., что значительно усложняет систему и увеличивает ее стоимость.

Что касается метода спектрального уплотнения, рассмотренного ранее, то можно отметить, что он является наиболее перспективным.

3. ПЕРЕДАЮЩИЕ И ПРИЕМНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ

Передающие оптические модули. Оптические передатчики и приемники ВОСП выполняются в виде модулей, в состав которых входят источники и приемники оптического излучения и электронные схемы обработки электрических сигналов.

К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны излучения должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь оптических волокон; конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в оптическое волокно; источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы; габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными; простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП: пленарные полупроводниковые, волоконные и объемные микрооптические (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только иланарные полупроводниковые источники -- светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД)--широко используются в реальных системах. Они работают в диапазоне волн 0,8... 1,6 мкм, который характеризуется минимальными потерями в ОВ, и позволяют вводить в волокно достаточно большую мощность (0,05... ...2 мВт),

В СИД оптическое излучение происходит в результате спонтанной эмиссии, когда к области р--n-перехода в полупроводниковом материале с прямыми переходами приложено положительное смещение. Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Частота излучения f определяется разностью энергетических уровней Eq, т. е. шириной запрещенной энергетической зоны f = c/ л = Eq/h, где h -- постоянная Планка; с -- скорость света в вакууме.

Поскольку время перехода всех электронов с одного энергетического уровня на другой не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебания энергии Еq также влияют на частотный разброс излучения. Эти флуктуации приводят к тому, что спектр излучения приобретает некоторую ширину ? f (рис. 8.14). Значение ? f используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью (некогерентное излучение).

Основными характеристиками источников излучения наряду с шириной спектра излучения являются ватт-амперная характеристика, максимальное значение частоты модуляции, срок службы и надежность.

Зависимость мощности излучения от тока инжекции (накачки) показана на рис. 8.15. Особенностью этих характеристик является практически линейная зависимость P = f(Iи). Это позволяет использовать аналоговые системы передачи для модуляции оптического излучения.

На рис. 8.16 приводится спектральное распределение излучения СИД. Как правило, линия излучения для СИД с поверхностным излучением имеет примерно гауссовскую форму с шириной до 0,04 мкм при л= 0,85 мкм, а для СИД торцевого типа ?л?0,09 мкм при л=1,3 мкм.

Максимальная частота модуляции fmax = 1/(2рфизвн), где звн -- внутренняя квантовая эффективность материала полупроводника; фи -- время жизни неосновных носителей, обусловленное излучательными переходами.

По возможности необходимо уменьшить излучательное время жизни фи. При этом возрастает как значение звн на низких частотах модуляции, так и высокочастотная граница. Уменьшить значение звн можно увеличением степени легирования и уровня инжекции. Так, в СИД торцевого типа удается получить в 4 раза большую полосу модуляции (100 МГц) по сравнению с СИД с поверхностным излучением без снижения квантовой эффективности.

Всем параметрам СИД присуща деградация -- постепенное уменьшение мощности излучения при длительной эксплуатации. Эмпирически установлено, что после некоторого начального периода «приработки» изменение мощности подчиняется обычному экспоненциальному закону Р(t)=P(0)e-t/сл, где tсл=AI-mиe-е сл(КТ) -- срок службы (деградации) СИД. Здесь А и т -- константы, определяемые материалом и конструкцией СИД. Обычно m ?1...... 2 и растет с увеличением тока Iи. Активационная энергия есл такова, что при возрастании температуры на 10...20°С tcll снижается вдвое. Для использования в ВОСП срок службы СИД должен составлять 10° ч для наземных и 106 ч для подводных оптических кабелей.

Полупроводниковые лазерные диоды являются когерентными источниками света. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования многослойных полупроводников- гетероструктур с односторонним (ОГС) и двусторонним (ДГС) ограничением, в которых удается снизить величину Iп до 1 ... 2 А/см2.

Если увеличить ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3...5 мкм. По мере увеличения тока «загораются» все больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие лазерные диоды называются лазерами с полосковой геометрией. В них Iп уменьшается до 500 мА/см2, излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в оптическое волокно с малой числовой апертурой NA, и повысить стабильность излучения.

К числу основных характеристик лазерных диодов, определяющих возможность их использования в системах связи и передачи информации, относятся: мощность излучения и ее зависимость от тока накачки, диаграмма направленности излучения, спектр излучения и срок службы.

При малых токах накачки (рис. 8.17) происходит спонтанная излучательная рекомбинация и наблюдается спонтанное излучение. Когда потери в структуре становятся сравнимы с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное излучение. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного излучения с помощью изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.

Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и соответственно выходной оптической мощности лазера. Отметим еще одну существенную особенность, присущую ЛД; при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперной характеристики. Это приводит к изменению порогового тока и выходной мощности. Для устранения .этого недостатка используются электрические схемы компенсации, а также

схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.

Диаграмма излучения лазера несимметрична. Ее ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20° в плоскости,, параллельной переходу, и более 40° в перпендикулярной плоскости (рис. 8.18, а). На рис. 8.18,6 показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях иx и иy.

Как видно, диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая расходимость генерируемого излучения препятствует ее эффективному вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

Спектр излучения ЛД (рис. 8.19) является дискретным, ширина линии излучения одной моды, как правило, не превышает 0,01 нм. Несмотря на использование полосковой геометрии, число генерируемых мод все-таки достаточно велико. Для селекции мод применяют специальные меры. Источники излучения, способные излучать одну моду, получили название лазеров с распределенной обратной связью -- РОС (DFB) и с распределенным брегговским отражением -- РБО (DBR).

Передающий оптический модуль (ПОМ) конструктивно состоит из оптической головки и электронной схемы, основным назначением которой является модуляция излучаемого света. В оптической головке с СИД размещаются диод и модулятор, а в головке с ЛД -- лазер, модулятор, фотодиод обратной связи и электронная схема, с помощью которой стабилизируется режим работы лазера. Одна из основных задач, которую необходимо решать при разработке ПОМ, -- стабилизация выходной мощности полупроводниковых лазеров.

Светоизлучающий диод установлен на теплоотводящем радиаторе (рис. 8.20), излучение выводится из оптической головки наружу через отрезок оптического волокна, к которому, в свою очередь, присоединяется внешнее оптическое волокно. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микроэлектронную схему (преобразователь «напряжение-- код»), управляющую током в цепи питания светодиода.

Приемные оптические модули. Основным элементом приемных оптических модулей (ПрОМ) является фотодиод, который играет роль фотодетектора. Функция детектора ВОСП сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприемника. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительно шума, т. е. обладать требуемыми широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью, иметь небольшие, но достаточные размеры для надежного соединения с волокном, быть нечувствительным к изменениям параметров внешней среды, иметь большой срок службы и минимальную стоимость. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.

Принцип действия полупроводникового фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару новых носителей заряда -- электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переводит его из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение) или же с примесного уровня в зону проводимости (приемное поглощение). Такие переходы изменяют электрические характеристики полупроводника, создавая условия формирования электрических сигналов. Высокое быстродействие и эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связаны с эффектом примесного поглощения. По этой причине фотодетекторы для ВОСП в настоящее время выполняются на основе материалов с примесным поглощением. В результате поглощения кванта света с энергией hf во внешней цепи диода протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару и носители тока пересекают плоскость р--n перехода, то число носителей N, определяемое отношением мощности оптического излучения Р к энергии кванта hf, умноженное на величину заряда носителя q, определит средний ток, протекающий через нагрузку RH: I = qN = qP/hf.

Как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом (з), характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический ток. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора.

Таким образом, в общем случае средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

На рис. 8.21 приведена зависимость квантовой эффективности для германиевого и кремниевого фотодиодов от длины волны. Для преобразования электронно-дырочной пары энергия hfпоглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т. е. необходимо выполнение условия hf ? ? Eq.

Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длине волны до 1,8 мкм, из кремния -- до 1,2 мкм, из арсенида галлия -- до 0,87 мкм.

Основными характеристиками фотодиодов наряду с квантовой эффективностью являются постоянная времени и чувствительность.

Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие и зависит от многих параметров: подвижности носителей заряда, ширины обедненной зоны, длины волны света, а также от того, движутся ли носители заряда под действием электрического поля или вследствие диффузии. Зная постоянную времени фотоприемника т, можно определить ширину пропускания фотодетектора: ? f пр = 0,4/ ф. Таким образом, чем меньше т, тем больше полоса пропускания.

Постоянная времени фотодиода зависит от времени диффузии и времени перехода обедненной зоны. Поэтому важными параметрами являются толщина p-слоев и p--n-перехода. Общая тенденция заключается в уменьшении толщины n и p-областей и увеличении обедненной области. При этом возрастает также квантовая эффективность.

Толстый обедненный слой может создаваться различными способами, чаще всего слабым легированием части р- или n-области, которые делаются более толстыми в этом случае, либо введением специального слабо легированного i-слоя или слоя типа р собственно полупроводника.

Чувствительность фотоприемника --это полный КПД преобразования световой мощности в электрический ток (отношение среднего значения фототока к среднему значению оптической мощности): S = I/P, А/Вт. С учетом (8.1) S = з q/(hf). Отсюда следует, что чувствительность фотоприемника тем выше, чем больше квантовый выход з, т. е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне.

Наибольшее распространение в волоконно-оптических системах получили фотодетекторы на основе р--i--n-фотодиодов (PIN) и лавинные (ЛФД).

На выходе ФД в зависимости от мощности оптического сигнала протекает фототок, определяемый выражением (8.1). В общем случае фототок состоит из отдельных носителей с зарядом q.Каждый носитель заряда вызывает импульс, длительность которого равна времени пробега носителя между электродами. Поэтому на постоянный либо изменяющийся с оптическим сигналом фототок накладываются нерегулярные колебания, чьи спектральные составляющие в полосе В при частоте модуляции со имеют среднеквадратическое значение 2qI|Г(щ)2 | B. Множитель |Г(щ)|2описывает ослабление колебаний из-за дрейфа носителей и для времени дрейфа тд определяется выражением

Таким образом, нерегулярные колебания приводят к дробовым шумам. Спектральное распределение этих шумов -- равномерное вплоть до частоты f =1/ ф д; только на более высоких частотах они уменьшаются из-за конечного времени дрейфа. Однако этот же эффект приводит к ослаблению сигнала в той же степени.

Дробовые шумы сопровождают не только фототок I принимаемого оптического потока, но и фототок IР рассеянного света, который большей частью подается одновременно в виде фонового излучения. Кроме того, дробовые шумы вызываются темновым током Iт, создаваемым термически возбужденными носителями заряда.

В целом средний квадрат флуктуации тока дробовых шумов I2III =2q(I+Iр + Iт)|Г(щ)|2В

В лавинных фотодиодах происходит усиление тока в М раз, его флуктуации также умножаются как минимум в той же мере. В этом случае среднее значение квадрата флуктуации I2ш=2q(I +Iр + Iт) |Г(щ) | 2В | М(щ) | 2F. Здесь M(щ) обозначает усиление переменного тока, определяемое для лавинных фотодиодов выражением М(щ) =М0 / (1 + iщф). Коэффициент F учитывает увеличение дробовых шумов из-за нерегулярного характера умножения носителей заряда.

Усиление тока не остается постоянным во времени, а флуктуирует в зависимости от вида процесса умножения. При лавинном умножении в фотодиодах флуктуации усиления тока тем значительнее, чем больше усиление. В соответствии с этим дополнительные шумы также возрастают с усилением тока.

Для лавинных фотодиодов функция F(M) хорошо аппроксимируется степенным законом F -- Mx. Показатель экспоненты находится в диапазоне х = 0,4... 1. Для германиевых диодов х=1, в то время как для кремниевых диодов х = 0,5, если в лавинную зону инжектируют преимущественно электроны. При инжекции дырок в лавинную зону кремниевых диодов показатель экспоненты увеличивается до x=1. Таким образом, в оптических приемниках использование фотодиодов приводит к тому, что значение шума зависит от сигнала. Эта особенность принципиально отличает приемники ВОСП от приемников классических систем передачи.

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (р--i--n-фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены принципиальные схемы ПрОМ двух типов -- с подключением фотодетектора к усилителю (схема «прямой линии») и с трансимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через сопротивление Ro.c.

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автоматической регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напряжение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряжение рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения р--i--л-диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме -- аналоговой или цифровой-- передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором (рис. 8.23).

4. ЛИНЕЙНЫЕ КОДЫ ВОСП

К линейным сигналам ВОСП предъявляются следующие требования: спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем меньше требуется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно уменьшаются мощность шума и его влияние. Ограничение спектра сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограничение снизу-- флуктуации уровня принимаемого сигнала в электрической части фотоприемника, имеющего цепи развязки по постоянному току. Минимальное содержание низкочастотных составляющих позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи стабилизации выходной мощности оптического передатчика;

код линейного сигнала должен обеспечивать возможность выделения колебания тактовой частоты, необходимой для нормальной работы тактовой синхронизации;

код линейного сигнала должен обладать максимальной помехоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих равных условиях максимальную длину участка регенерации;

код линейного сигнала должен обладать избыточностью, которая позволяет по нарушениям правила образования кота судить о возникновении ошибок;

код линейного сигнала должен быть простым для практической реализации преобразователей кода.

Для формирования линейных сигналов ВОСП используются блочные коды вида пВтВ, где п означает число кодируемых цифровых разрядов, В определяет двоичное основание системы счисления исходного кода, т -- число передаваемых по ОВ двухуровневых сигналов, соответствующих п разрядам. Например, 1В2В обозначает, что один цифровой разряд передается двумя сигналами по ОВ и относительная скорость передачи в линейном тракте в 2 раза выше скорости входных символов.

Наиболее простыми линейными кодами являются так называемые NRZ-коды (без возвращения к нулю) и RZ-коды (с возвращением к нулю). В NRZ-коде «1» передается импульсами, а «0» -- паузой (рис. 8.24, а). В RZ-коде «1» передается последовательностью из импульса и паузы, причем имеет в 2 паза меньшую длительность, а «0», как и раньше, передается паузой (рис. 8.24, б). Нормированные спектры кодов NRZ и RZ показаны на рис. 8.25. Недостатком кода RZ по сравнению с NRZ является необходимость использования более широкой полосы передачи из-за применения импульсов меньшей длительности, а преимуществом его является то, что источник оптического излучения в этом случае работает в течение меньшего времени и соответственно степень

деградации его параметров снижается. Согласно принятому определению RZ-код является примером 1В2В-сигнала. Недостаток рассмотренных кодов заключается в том, что они не удовлетворяют перечисленным требованиям (за исключением последнего пункта), поэтому такие коды могут быть рекомендованы лишь на линиях небольшой протяженности при отсутствии регенерационных участков.

Для снижения содержания в спектре сигналов низкочастотных компонент применяют манчестерский, или бифазный, код BIF, в котором «0» передается последовательностью из паузы и импульса, а «1» -- последовательностью из импульса и паузы, причем длительность импульса в 2 раза меньше длительности «1» (рис. 8.24, в). В данном коде отсутствуют подряд более чем два идентичных символа, что определяет снижение в спектре низкочастотных компонент. Такой код также целесообразен при передаче в линиях малой протяженности без регенераторов и является примером 1В2В-сигнала. Пример кода 2В3В приведен на рис. 8.24, г. Алгоритм образования следующий: разряды 00 заменяются на 001; 01 на 010; 10 на 100 и 11 на 011. Такой код обеспечивает возможность снижения скорости передачи в линии по сравнению с 1В2В-сигналами.

К общим недостаткам рассмотренных кодов относятся следующие: невысокая помехозащищенность, сложности с выделением тактовой частоты, а также с обнаружением ошибки. По этой причине коды не могут быть рекомендованы для организации линейного тракта ВОСП большой протяженности. Введение корреляционных связей между амплитудами передаваемых двухуровневых сигналов позволяет устранять отмеченные недостатки.

Примером сигнала с корреляционными связями является код CMI или код с поочередной инверсией токовых сигналов, временные диаграммы и энергетический спектр которого показаны на рис. 8.24, д и рис. 8.25. Введение корреляционных связей в CMI позволяет обнаруживать ошибки, приводящие к сбою чередования комбинаций 11 и 00 при передаче двоичной 1.

Одной из разновидностей сигналов 1В2В является код Миллера (М). Этот код, в котором кодовой посылке 0 бинарного сигнала ставится в соответствие кодовое слово 11 или 00, а кодовой посылке 1. -- 01 или 10, причем последовательность нулей исходного бинарного сигнала передается чередованием кодовых слов 11 или 00. При других комбинациях посылок бинарного сигнала первая кодовая посылка кодового слова должна быть такой же, как последняя предыдущего кодового слова (рис. 8.24, е и 8.25). Например, бинарная последовательность 01100 передается в линейном тракте последовательностью 1110011100. В результате соседние переходы вида 10 или 01 в линейном сигнале будут находиться не ближе, чем на тактовый интервал Т, и не дальше, чем на 2Т, вследствие чего основная часть энергетического спектра линейного сигнала сосредоточена в области ниже тактовой частоты f т и низкочастотная составляющая энергетического спектра оказывается частично подавленной (составляет 30% низкочастотной составляющей бинарного сигнала в формате NRZ). Контроль за появлением переходов с частотой, большей 1/Т, позволяет просто осуществлять оперативный контроль за появлением ошибок в регенераторе.

В качестве перспективных для использования в цифровых волоконно-оптических системах связи МККТТ предлагает двухуровневые коды 1В2В, 2ВЗВ, 5В6В. 6В8В и ЛШР, где символ IPобозначает добавление одной балансовой посылки к М бинарным (например, таким образом, чтобы число единиц и нулей в кодовом слове всегда было четным или нечетным).

В цифровых ВОСП для первичной ступени ИКМ иерархии целесообразно использовать код CMI; для вторичной -- CMI и BIF; для третичной -- BIF и код Миллера; для более высоких ступеней-- код Миллера и скремблированный бинарный сигнал в формате NRZ.

Использование многоуровневых кодов по сравнению с двух уровневыми на городских, зоновых и магистральных сетях связи приводит к снижению энергетического потенциала системы на 15... 20 дБ. Поэтому многоуровневые коды рекомендуется использовать во внутриобъектовых линиях связи специального назначения.

5. ОПТИЧЕСКИЙ РЕТРАНСЛЯТОР

Передача информации по ОВ ограничивается максимальной мощностью излучения передатчика, затуханием и дисперсией ОВ, а также чувствительностью приемника. Эти обстоятельства накладывают ограничения на дальность передачи и объясняют необходимость установки ретрансляторов сигнала через участок определенной длины. Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические, 190 с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным преобразованием.

Оптические ретрансляторы корректируют и усиливают световые сигналы непосредственно, не преобразуя их в электрические. Они содержат лазерный усилитель (оптический квантовый усилитель) и нелинейный поглотитель для частичной регенерации световых импульсов. Усилитель компенсирует потери передачи сигнала в световоде и нелинейном поглотителе, т. е. возвращает световым импульсам их первоначальную интенсивность. Нелинейный поглотитель сужает импульсы и тем самым частично компенсирует расширение импульсов и их перекрытие, которое происходит в ОВ из-за дисперсии материала и разброса времени пробега. Помимо этого он уменьшает уровень шумов и других интерференционных помех, находящихся в стороне от пиков импульсов. В настоящее время ретрансляторы на основе оптических квантовых усилителей находятся в стадии проектирования и опытной эксплуатации.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электрический и последующей обработкой и регенерацией сигнала электронными схемами (рис. 8.26). Оптический ретранслятор отличается от регенераторов проводных ЦСП только наличием оптических модулей (ПрОМ и ПОМ). Электронный регенератор (ЭР) содержит решающее устройство (РУ), устройство тактовой синхронизации (УТС) и формирователь сигналов (ФС).

Процесс регенерации в ЭР происходит следующим образом. Значения передаваемых символов (0 или 1) оцениваются решающим устройством, которое анализирует поступающий сигнал и принимает решение о том, какой символ передается по ОВ. В регенераторах при оценке значений символов используется прием методом однократного отсчета, что позволяет при относительно простой реализации получать высокую помехоустойчивость. Временные диаграммы (рис. 8.27) приведены для случая, когда с оконечной ВОСП передается в оптическую линию двухуровневый код с пассивной паузой (рис. 8.27, а). При этом в решающем устройстве периодически с тактовой частотой fT=1/T производится стробирование сигнала на выходе ПрОМ и сравнение полученного отсчета с порогом.

При превышении порога в формирователе сигнала формируются импульсы прямоугольной формы с определенной амплитудой и длительностью (рис. 8.27, в). Стробирование сигнала осуществляется с помощью узких импульсов, которые вырабатываются устройством тактовой синхронизации (оис 8.27,6).

При передаче сигналов по ОВ величина ослабления и искажений зависит от длины участка регенерации lуч. При увеличении lучуровень оптического сигнала рпр падает плавно на строительных отрезках ОВ и скачком в точках их соединений (рис. 8.28). Для восстановления сигнала необходимо, чтобы на входе ЭР уровень сигнала pпр ? pnpmin, где рпр min -- минимальный уровень приема оптического излучения при котором происходит полное восстановление сигнала, т. е можно записать рпер-- бв--nр бр--nнбн--аlуч ? рпр, где рпер -- уровень передачи на выходе станции или регенератора; а„ -- потери при вводе и выводе излучения в волокно; б Р, б н -- потери в разъемных и неразъемных соединениях на длине регенерационного участка. Это выражение удобно записать в виде

где Q=pnep--ав--Pnpmin -- энергетический потенциал ВОСП. Из (8.2) можно получить значение lуч по затуханию: lуч ? (Q--nР б Р--nH бH)/ б.

Кроме затухания ОВ длина участка регенерации ограничивается за счет дисперсионных потерь. Для уменьшения межсимвольной интерференции необходимо выполнение неравенства

где В -- скорость передачи информации; о -- среднеквадратическая ширина импульсной характеристики в кабеле длиной 1уч. Из (8.3) следует, что 1yч ? 0,25/( у0В), где ус -- среднеквадратическое уширение импульса в ОВ длиной 1 км. Следовательно, для определения максимальной длины регенерационного участка необходимо решить систему неравенств

Расчеты по определению lуч показывают существенные преимущества оптических систем передачи, где регенерационные расстояния превышают 100 км. При использовании коаксиальных кабелей длина 1уч составляет 1,5... 6 км.

Следует отметить возможность создания ВОСП, не содержащих регенераторы, что объясняется значительным прогрессом в технологии производства активированных оптических волокон и мощных полупроводниковых лазеров. Так, к концу столетия Должна быть сдана в эксплуатацию трансатлантическая ВОСП протяженностью более 6000 км, не содержащая ретрансляционных станций.

6. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Аппаратура ВОСП для ГТС. Волоконно-оптические системы передачи, как и СП, работающие по металлическому кабелю, подразделяются на городские, внутризоновые и магистральные. К системам передачи, работающим по оптическому кабелю на линиях ГТС, относятся «Соната-2», ИКМ-120-4/5 и «Сопка-Г» (ИКМ-480-5), технические данные которых приведены в табл. 8.2.