Разработка схемы системы стабилизации передатчика в системах атмосферной оптической передачи данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Южный Федеральный Университет

Пояснительная записка к дипломной работе

На тему: «Разработка схемы системы стабилизации передатчика в системах атмосферной оптической передачи данных»

Автор: Кучеренко Э.Ю.

Руководитель док. техн. наук, Щербань И.В.

Консультант по экономике доц.Гусенко Т.Г.

зав. кафедрой д-р техн. наук, доц. Земляков В.Л.

Ростов-на-Дону, 2014 г.

Аннотация

Дипломная работа содержит страницу машинописного текста, рисунков, таблиц.

В данной дипломной работе исследуется система атмосферно-оптической линии связи и разрабатывается схемы фокусировки прием-передающего модуля, где исполнительные элементы -- пьезоэлектрические актюаторы.

Цель работы: разработать схему системы стабилизации прием-передающего модуля системы атмосферно-оптической линии связи.

Реферат

Объект исследований - система АОЛС.

При использовании системы АОЛС возникает проблема при которой сбивается фокус луча ППМ.

В ходе работы разработана схема системы стабилизации, рассчитаны максимальные отклонения при установке системы на 10-ти этажные здания на расстоянии 2 км, найдены пьезоактюаторы удовлетворяющие условиям и использованы в схеме.

Рассмотрены вопросы безопасности, приведено технико-экономическое обоснование проекта.

Содержание

Аннотация

Реферат

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Обзор атмосферно оптической линии связи (АОЛС)

1.2 Принцип действия АОЛС

1.3 Преимущества АОЛС

1.4 Недостатки АОЛС

1.5 Помехоустойчивость АОЛС

1.6 Надежность канала связи АОЛС

1.7 Корректировка пучка света

1.8 Влияние колебаний на качество связи

1.8.1 Низкочастотные колебания

1.8.2 Колебания средних частот

1.8.3 Высокочастотные колебания

2. Пьезоэлектрический эффект

2.1 Пьезоэлектрический актюатор

2.1.1 Пакетные (линейные) пьезоактюаторы

2.1.2 Трубчатые пьезоактюаторы

2.1.3 Сдвиговые пьезоактюаторы

2.1.4 Ламинарные полосковые пьезоактюаторы (актюаторы сжатия)

2.1.5 Актюаторы с интегрированным рычажным усилителем перемещения

2.1.6 Управляемые пьезофлексерные актюаторы

2.2 Преимущества пьезактюаторов как приводов

3. Анализ схем построения АОЛС

3.1 Активная схема построения АОЛС

3.2 Пассивная схема построения АОЛС

3.3 Смешанная схема построения АОЛС

3.4 Вариант исполнения дуплексной системы передачи информации

3.5 Выбор схемы для построения конструктивной схемы

4. Источники излучения

4.1 Полупроводниковые лазеры

4.2 Полупроводниковые светодиоды

4.3 Суперлюминесцентные диоды

4.4 Источник излучения схемы АОЛС

5. Приемники излучения

5.1 p-I-n-фотодиоды

5.2 Лавинные фотодиоды

5.3 Приемник излучения схемы АОЛС

6. Волоконно-оптическая линия связи

6.1 Волоконно-оптическая линия связи для соединения приемопередающих оптических и электронных модулей

6.2 Линии связи между модулями АОЛС

7. Приемопередающие модули

7.1 Приемопередающий электронный модуль

7.2 Приемопередающий оптический модуль

8. Разработка схемы стабилизации ППМ системы АОЛС

8.1 Расчет максимального угла поворота луча системы АОЛС

8.2 Расчет максимального сдвига ППМ системы АОЛС

8.3 Получение результатов сдвига в реальном времени

9. Способ корректировки ППМ в система АОЛС

10. Безопасность

10.1 Безопасность установки

10.2 Стандарты лазерной безопасности

11. Экономическая целесообразность

11.1 Сравнение FSO и радиочастотной системы

11.2 Состояние зарубежного рынка АОЛС

11.3 Состояние российского рынка FSO(АОЛС)

Заключение

Список использованных источников

Введение

В наше время постоянное развитие информационных технологий и расширение их сферы применения увеличивают требования к пропускной способности каналов вычислительных сетей и их надежность. На настоящий момент доминирующим является использование оптоволоконных, медных проводных и радиоканалов. Однако быстрее развитие имеет и технология атмосферно оптической линий связи. Их перспективность объясняется многими факторами: легкостью монтажа и эксплуатации, высокими (до нескольких Гбит/с) скоростями передачи. И все-таки технология находится на этапе развития и многие вопросы остаются нерешенными, некоторые из которых были проанализированы в данной работе.

В работе рассмотрена система атмосферной оптической линии связи, описаны их возможности, преимущества и недостатки по сравнению с другими способами передачи информации, технические характеристики систем АОЛС от различных производителей, а также анализ российского и зарубежного рынков. Также разработана схема системы стабилизации прием-передающего модуля системой пространственной стабилизации с использованием пьезоэлектрических актюаторов.

1. Теоретическая часть

1.1 Обзор атмосферно оптической линии связи (АОЛС)

Атмосферные оптические линии связи (АОЛС) предназначены для организации беспроводных высокоскоростных защищённых каналов связи на дистанциях от 50 м до 7 км.

Рис. 1.1. Модель АОЛС.

Они приобрели широкую популярность из-за простоты реализации и надежности, которая не уступает по надежности решению на основе проводных сетей.

В России сертифицированное оборудование, производится фирмами НПК "Катарсис" (Петербург), ЗАО "Мостком" (Рязань) и ЗАО "ДО" (Санкт-Петербург).

Необходимо отметить, что надежность АОЛС, с точки зрения наработки на отказ, практически у всех производителей достаточно высока. Основной элемент, вызывавший ранее наибольшие проблемы по ресурсу работы, лазерный излучатель, который на данный момент имеет наработку в сотни тысяч часов.

Используются мощные одномодовые и одночастотные полупроводниковые лазеры ближнего ИК-диапазона, массовое производство которых вызвано потребностями рынка. В отдельных случаях для передачи информации на коротких дистанциях используются мощные светоизлучающие диоды, работающие в диапазоне 0,8…0,9 мкм.

1.2 Принцип действия АОЛС

В основе беспроводных оптических систем лежат технологии организации высокоскоростных каналов связи посредством инфракрасного излучения. Лазерная связь двух объектов осуществляется посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу.

Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу. На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом, чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации.

Далее, сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.



Рис. 1.2. Принцип действия АОЛС.

1.3 Преимущества АОЛС

Физические ограничения АОЛС по скорости передачи определяются только собственной частотой несущей электромагнитной волны (1015 …1016 Гц), поскольку в отличие от ВОЛС, среда передачи (атмосфера) не вносит временной дисперсии сигналов. Этот фактор является во многих случаях определяющим при выборе средства передачи. Уже началось практическое освоение больших скоростей, в 2009 году было создано устройство АОЛС со скоростью передачи 2,5 Гбит/с в настоящее время выпускается аппаратура на 10 Гбит/с.

Во многих случаях потребителей привлекает отсутствие необходимости согласования частотного диапазона, поскольку оптический диапазон не регламентирован. И существенно важно, что причин для введения частотных ограничений фактически нет, что связано с чрезвычайно узкой диаграммой направленности излучения лазерных передатчиков и отсутствием боковых лепестков диаграммы направленности оптических антенн.

Существенным достоинством АОЛС является нечувствительность к помехам радиодиапазона. Это позволяет использовать оптические линии в местах с большой насыщенностью радиосистем. За счет узкой диаграммы оптических антенн система АОЛС имеет защищенность канала связи от несанкционированного доступа. По этому критерию данная технология является уникальной. Во всех остальных случаях (волоконные и медные кабели, радиолинии) для защиты информации требуется использование специальных кодов. В открытой оптической линии защита обеспечивается за счет узкой диаграммы направленности излучения. С помощью внешних ИК-приборов можно обнаружить наличие канала связи, но для перехвата информации необходимо установить приемник непосредственно в канал связи, что практически неосуществимо.

Многие производители отмечают в качестве достоинства АОЛС быстроту организации линии связи. Действительно, кроме общих временных затрат, связанных с оформлением аренды мест установки аппаратуры, время на инсталляцию канала при отработанной технологии исчисляется часами.

1.4 Недостатки АОЛС

Основные проблемы АОЛС это:

· малое время наработки на отказ излучающего элемента (лазерного диода или светодиода)

· сильная зависимость расстояния передачи сигнала от погодных условий.

Первая проблема была решена производителями лазерных диодов и на сегодняшний день многие из них, мощностью до 100 мВт уже способны обеспечить работоспособность в150 тыс. часов (практически 15 лет работы).

Вторая проблема снижения доступности канала связи при уменьшении метеорологической дальности видимости до 100-200 м остается актуальной.

Основной причиной перебоев в связи АОЛС является туман. При видимости менее 100 метров затухание в тумане достигает 170 дБ/км для 780 нм (ближний инфракрасный спектр) и 320 дБ/км для 555 нм (зелёный спектр).

Самая современная АОЛС имеет энергетический запас около 60дБ. В дождливую погоду FSO-системы работают стабильно. Сильный ливень (уровень осадков 75 мм/час) не мешает лазерной системе передавать данные на расстояния до 1.5 км и со скоростью до 1Гбит/с.

1.5 Помехоустойчивость АОЛС

Основным недостатком АОЛС является зависимость пропускания атмосферой оптического излучения от состояния погоды.

Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается тремя существенными для лазерной связи процессами:

· поглощение

· рассеяние

· турбулентность

Остальными процессами, такими как резонансное поглощение, молекулярное рассеяние и аэрозольное поглощение, при правильном выборе длины волны можно пренебречь.

Рассмотрим основные процессы, которые влияют на помехоустойчивости АОЛС.

Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов определяется, прежде всего, молекулярным поглощением, крайне неравномерным по частоте. Оно максимально на резонансных частотах молекул воздуха, воды, углекислого газа, озона и других компонент атмосферы.

На рис. 1.3 приведена зависимость затухания от длины волны.

Если лазерное излучение попадает в центр сильной линии спектра, то оно поглощается атмосферой на 100% даже на небольшом расстоянии. Поэтому для АОЛС следует брать лазеры с излучением, находящимся на участках спектра атмосферы, занятых широкими окнами прозрачности (участками, где поглощение незначительно).



Рис. 1.3. Зависимость затухания от длины волны.

Рассеяние в атмосфере представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морозь и осадки.

В таблице 1 показана зависимость затухания от погодных условий.

Таблица 1.1. Ослабление излучения в диапазоне 0,85 мкм в зависимости от погодных условий.

Погодные условия	Затухание, дБ/км
Ясная погода	0-3
Слабый дождь	3-6
Сильный дождь	6-17
Снег	6 - 26
Легкий туман	20-30
Густой туман	50-100

На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. При этом иногда возникают замирания сигнала и связь становится неустойчивой.

К атмосферным потерям следует добавить еще так называемые геометрические потери сигнала, зависящие от протяженности линии и угловой расходимости излучения (рис. 1.4)

Рис. 1.4. Угловая расходимость излучения.

Доступность линии АОЛС зависит от допустимого ослабления мощности сигнала между передатчиком и приемником на заданном расстоянии между терминалами и от статистики распределения метеорологической дальности видимости (МДВ) в месте установки линии. Чем больше запас мощности системы, тем меньше погодные условия влияют на работоспособность линии.

При передаче сигнала возможно отклонение луча и, как следствие, выход сигнала из области приёма из-за малейшего изменения положения опорной конструкции по следующим причинам:

· температурное расширение(сжатие) металлических креплений;

· воздействие ветра;

· изменение состояния почвы, фундамента, следовательно, небольшие колебания здания;

1.6 Надежность канала связи АОЛС

Надежность канала связи определяется отношением времени бесперебойной работы линии к общему времени эксплуатации. Это основной параметр, характеризующий потребительские свойства системы. Поэтому большинство производителей в своих рекламных материалах приводят параметр доступности в первую очередь. Опыт эксплуатации АОЛС показал, что дожди, дымки и снег средней интенсивности мало влияют на работоспособность линий связи, обладающих достаточным динамическим потенциалом.

Основной причиной нарушения работоспособности последних являются туманы. Кроме того, ухудшение видимости менее 1000 метров при метелях, снегопадах, дождях и моросях имеет повторяемость не более 5-10%, остальные 90-95% приходятся на туманы. Вероятность образования тумана, его характер, интенсивность и продолжительность существенно зависят от широты места, географических особенностей, сезона года, характера атмосферных процессов. Из практики известно, что в одних случаях туман сплошь застилает значительную территорию, в других - возникает местами, то есть имеет большую пространственно-временную изменчивость.

Для обеспечения работоспособности линии связи на требуемой дистанции с определенным уровнем надежности связи (или доступности канала) необходимо иметь достаточный динамический запас энергетического потенциала линии или диапазон допустимого затухания мощности сигнала на приемнике, при котором линия сохраняет работоспособность. Верхняя граница динамического диапазона определяется геометрическими потерями и флуктуациями, т.е. это максимальная величина сигнала на приемной антенне, которая реализуется при отсутствии потерь на пропускание атмосферы. Нижняя граница обусловлена чувствительностью приемника и определяет уровень работоспособности системы при плохих погодных условиях.

1.7 Корректировка пучка света

Важным фактором при производстве систем АОЛС является коректировка пучка света. Эта проблема решается двумя известными способами:

· узкий, сфокусированный пучок света с автоматической корректировкой смещения;

· широкий пучок света без корректировки;

Система АОЛС с автоматической корректировкой самостоятельно устраняет смещения, до того как они приведут к нарушению передачи связи.

Расстояние и скорость передачи являются главными факторами при определении необходимости автоматической корректировки. Короткие, до 200 метров, линии со скоростью передачи 10 Мб/с менее уязвимы, чем 500 метровые линии со скоростью передачи 1.25 Гб/с.

Такие системы в основном состоят из двух компонентов:

· датчика-целеуказателя;

· блока наведения;

Датчик-целеуказатель представляет из себя высокочувствительную ПЗС-матрицу установленную на оптическую ось прием-передающего модуля и управляемую микропроцессором с помощью которого осуществляется селекция цели в условиях помех и солнечной засветки и выдача сигнала отклонения от направления связи на блок наведения.

Блок наведения направляет ось прием-передающего модуля на место установки другого терминала в соответствии с данными датчик-целеуказателя. Наведение осуществляется за счет изменения положения задней части оптико-электронного блока прием-передающего модуля штоками блока наведения.



Рис. 1.5. Система АОЛС с автоматической корректировкой смещения.

При этом обеспечивается максимально точное наведение (0,08 мрад) независимо от подвижности опоры на которой закреплено АОЛС оборудование.

Это позволяет повысить надежность передачи связи с помощью системы АОЛС на больших дистанциях и уменьшает требования к стабильности опоры и обслуживанию АОЛС оборудования.

Рис. 1.6. Система АОЛС с широким пучком.

Система АОЛС с широким пучком увеличивает зону приема. Однако такая система больше подвержена затуханию и поэтому более восприимчива к погодным условиям.

1.8 Влияние колебаний на качество связи

Система АОЛС подвержена постоянным движениям. В движение приводит рад факторов, такие как температурное расширение (сжатие) металлических креплений, воздействие ветра, изменение состояния почвы, фундамента.

Из-за узкой направленности излучения и ограниченного угла зрения приемника движение нарушать связь. Это влияние обычно упоминается как “движение опоры” Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное. Низкочастотное - это движение с периодом колебаний от минут до месяцев и определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Среднечастотное движение имеет период масштаба секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Высокочастотные колебания с периодом меньше чем 1 с, обычно называемые вибрацией, вызываются работой крупного оборудования и деятельностью человека.

1.8.1 Низкочастотные колебания

Изменение температуры и давления приводит к изгибу и скручиванию зданий.

Амплитуда этих деформаций очень сильно зависит от размеров здания, их формы и конструкции. Это движение настолько малое и медленное, что идет незаметно для жителей зданий. Однако, отклонение увеличивается с увеличением высоты здания и может быть существенно для оборудования, установленного на крыше даже для невысоких зданий.



Рис. 1.7. Влияние атмосферного давления на деформацию здания.

1.8.2 Колебания средних частот

Колебания средних частот вызываются ветром и могут быть весьма существенны для высоких зданий. При проектировании высотных зданий основной целью является устойчивость постройки пир сильных ветрах. Таким образом, данные колебания могут быть вызваны только очень сильным ветром и, вероятно, только на высоких зданиях. Прерывание связи у АОЛС систем по данной причине будет кратковременным, поскольку по прекращении порыва ветра здание возвращается в исходное положение. Приемопередатчики с достаточно широким пучком, а также с достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения способны компенсировать даже эти редкие и сильные отклонения без прекращения связи.

1.8.3 Высокочастотные колебания

Высокочастотные колебания вызываются вибрацией, имеют частоту выше нескольких герц и сильно зависят от способа установки терминала FSO. Установка на этаже, стене или крыше (то есть на поверхности кровли или парапетной стенки) может дать весьма различающиеся уровни колебаний.

На Рис. 1.8 представлены графики спектральной плотности мощности вибрации для нескольких зданий, включая два крепления на крыше (поверхности кровли), два высоких административных здания (крепление на этаже), и невысокое деревянное здание (крепление на этаже). Кривые показывают большой разброс в амплитудах вибрации от здания к зданию.

Рис. 1.8. Графики спектральной плотности мощности вибрации зданий.

Как видно из рисунка разброс амплитуд очень велик. Кроме того, величина вибрации зависит от действий жителей (например, ходьба, закрытие дверей) и может сильно меняться в течение короткого промежуутка времени для одного здания.

Измерения показали, что максимум углового отклонения из-за вибрации с частотой выше 1 Гц, редко превышает 1 мрад, и во многих случаях редко приблизится к половине этого значения. Однако, установка оборудования должна быть тщательно спланирована таким образом, чтобы не усиливать колебания, испытываемые FSO терминалом.

2. Пьезоэлектрический эффект

Некоторые твердые материалы, способны в электрическом поле изменять свои линейные размеры. Железо, никель, их сплавы или окислы при изменении окружающего магнитного поля также могут изменять свои размеры. Первые из них относятся к пьезоэлектрическим материалам, а вторые - к пьезомагнитным. Соответственно различают пьезоэлектрический и пьезомагнитный эффекты.

Пьезоэлектрический двигатель может быть выполнен как из тех, так и из других материалов. Однако наиболее эффективными в настоящее время являются пьезоэлектрические двигатели.

Существует прямой и обратный пьезоэффекты.

Прямой - это появление электрического заряда при деформации пьезоэлемента.

Обратный - линейное изменение размеров пьезоэлемента при изменении электрического поля.

2.1 Пьезоэлектрический актюатор

Пьезоактюатор - пьезомеханическое устройство,

предназначенное для приведения в действие механизмов, систем или

управления ими на основе пьезоэлектрического эффекта. Сегодня существует большое количество разнообразных типов и видов пьезокерамических актюаторов, но нету единой международной классификации. Они различаются по используемым направлениям пьезоэффектов, конструкциям, предназначениям. Их условно можно свести в следующие основные группы:

· Пакетные (линейные) пьезоактюаторы

· Трубчатые пьезоактюаторы

· Сдвиговые пьезоактюаторы

· Ламинарные полосковые пьезоактюаторы (актюаторы сжатия)

· Актюаторы с интегрированным рычажным усилителем перемещения

· Управляемые пьезофлексерные актюаторы

2.1.1 Пакетные (линейные) пьезоактюаторы

Пьезоактюаторы такого типа наиболее широко используемые. В свою очередь они делятся на разнообразные типы, например, низковольтные и высоковольтные, корпусные и бескорпусные многослойные дискретные и многослойные монолитные и т.д. Пакетные актюаторы могут генерировать силу огромной величины - 100 килоньютон и более. Максимальный ход не превышает 500 мкм. Для защиты пьезокерамического пакета они выполняются в металлических корпусах со встроенной системой предварительного механического напряжения.

Рис. 2.1. Пакетные пьезоактюаторы: а) высоковольтные, б) низковольтные.

2.1.2 Трубчатые пьезоактюаторы

В основе принципа работы трубчатых пьезоактюаторов лежит явление сужения внутреннего сечения полого пьезокерамического цилиндра. В основном применяются в сканирующих микроскопах и микронасосах. Защемляемые изгибные пьезокерамические биморфы и мультиморфы. Отличительной особенностью актюаторов такой конструкции является их специфическое крепление (защемление). Данная конструкция обеспечивает значительные перемещения в миллиметровом диапазоне, но при низкой жесткости, малой блокирующей силе и резонансной частоте. В зависимости от формы такие актюаторы бывают пластинчатыми и дисковыми.

2.1.3 Сдвиговые пьезоактюаторы

Сдвиговые пьезоактюаторы способны генерировать большую блокирующую силу при значительном сдвиге. Находят применение в качестве пьезоэлектрических линейных моторов, а также как одноосевые и двухосевые позиционирующие элементы.

Рис. 2.2. Конструкция сдвигового пьезоактюатора.

2.1.4 Ламинарные полосковые пьезоактюаторы (актюаторы сжатия)

Активный материал этих актюаторов представляет собой полоски пьезокерамики. Сдвиг в таких актюаторах происходит в направлении, перпендикулярном направлению поляризации и приложенному электрическому полю.

2.1.5 Актюаторы с интегрированным рычажным усилителем перемещения

Актюаторы с интегрированным рычажным усилителем перемещения предназначены для обеспечения субнанометрического разрешения при увеличенном перемещении.

2.1.6 Управляемые пьезофлексерные актюаторы

Представляют собой сложные позиционирующие устройства на базе пьезоактюатора с интегрированным в него флексером. Применяются в тех случаях, когда требуется получить исключительно прямое перемещение по одной и более осям (до шести осей) с нанометрическим отклонением от идеальной траектории. Такие устройства часто используют с рычажным усилителем перемещения, что позволяет увеличить максимальный ход пьезоактюатора почти в 20 раз, в результате чего он может составлять несколько сотен микрон.

2.2 Преимущества пьезактюаторов как приводов

Пьезоэлектрические актюаторы преобразуют электрическую энергию непосредственно в механическую. Они способны осуществлять перемещение в субнанометрическом диапазоне (<10^-9). Скорость срабатывания - в диапазоне микросекунд. Развитие больших сил способные перемещать конструкции весом 100 и более тонн на 250-500 микрон с минимальным шагом (чувствительностью) 0,05 - 0,1нм. Отсутствие магнитного поля - действие актюаторов связано с электрическими полями. Они не генерируют магнитные поля, а также не подвержены влиянию таковых. Это особенно важно при использовании в оборудовании, где недопустимы электромагнитные помехи. Низкое потребление энергии - в статическом состоянии, даже под воздействием больших нагрузок, актюаторы не потребляют энергию. Действие пьезоактюаторов очень схоже с электрическим конденсатором. В состоянии покоя также не выделяется тепловая энергия. Не подверженность износу - в конструкции пьезоактюаторов нет шестерен или подшипников. Их перемещение обусловлено динамикой твердого тела. На практике не выявлен у пьезоактюаторов какой-либо износ после нескольких миллионов рабочих циклов. Возможность работы в экстремальных условиях - пьезоактюаторы не требуют смазки, а пьезоэлектрический эффект присутствует даже при низких температурах. Существуют пьезоактюаторы, способные работать при криогенных температурах. А новые типы актюаторов с керамической изоляцией идеальны для работы в условиях сверхвысокого вакуума.

3. Анализ схем построения АОЛС

Для построения АОЛС используются различные схемы, такие как активная, пассивная, смешанная. Наиболее часто использующаяся активная схема построения АОЛС.

3.1 Активная схема построения АОЛС

В активной схеме источник и приемник излучения находятся внутри приемопередающего оптического блока. Как правило, в фокусе или вблизи объектива. Схема активного исполнения АОЛС показана на рис. 3.1.

К плюсам данной схемы следует отнести большую площадь фотоприемника, что в свою очередь, увеличивает угол поля зрения, а это благоприятно сказывается на уменьшении энергетических потерь и требований к угловым перемещениям приемопередающих оптических блоков друг относительно друга.

К недостаткам данной схемы следует отнести необходимость подведения питания непосредственно к оптическим блокам, что невсегда возможно.

Рис. 3.1. - Схема активного исполнения АОЛС: (И - источник, П - приемник, ОС - оптическая система).

3.2 Пассивная схема построения АОЛС

Пассивная схема построения АОЛС осуществляется следующим образом. Источник и приемник излучения располагаются непосредственно в корпусе медиаконвертеров, которые осуществляют преобразования интерфейсов «витая пара - одномодовый (многомодовый) оптический кабель». Схема пассивного исполнения АОЛС показана на рис. 3.2. Соединение медиаконвертера с оптическим блоком осуществляется с помощью одномодового или многомодового оптического кабеля оконцованного коннектором. В данной схеме источником и приемником оптического излучения является торец оптического волокна, расположенного в непосредственной близости к фокусу приемопередающей оптической системы. Недостатком пассивной схемы следует отнести достаточно жесткие требования к юстировке оптических блоков по углу из-за малых размеров приемной площадки, которая является торцом оптического волокна: диаметр одномодового волокна 5…9 мкм, многомодового 50…62.5 мкм. Для увеличения поля зрения необходимо увеличивать в несколько раз диаметр падающего пучка на торец волокна приемника, что приводит к геометрическим потерям из-за разности площадей оптического волокна приемника и пятна излучения.

К достоинствам можно отнести отсутствие необходимости подвода питания к оптическим блокам.

Рисунок 3.2. Схема пассивного исполнения АОЛС: (И - источник, П - приемник, ОВ - оптическое волокно ОС - оптическая система).

3.3 Смешанная схема построения АОЛС

В том случае, когда невозможно реализовать активную или пассивную схему, используется смешанная схема, которая изображена на рис. 3.3. Существует несколько вариантов реализации данной схемы, например, когда в одном приемопередающем оптическом блоке источник и приемник излучения находятся внутри оптического блока, а в другом источник и приемник излучения располагаются непосредственно в медиаконвертере, которые соединяются с приемопередающим оптическим блоком с помощью оптического волокна.

Рисунок 3.3. Схема смешанного исполнения АОЛС: (И - источник, П - приемник, О.В. - оптическое волокно ОС - оптическая система).

3.4 Вариант исполнения дуплексной системы передачи информации

Передача информации, как правило, осуществляется в дуплексном виде, т.е. передача информации осуществляется в обе стороны, в двух вариантах. Первый вариант представлен на рис. 3.4. На одной длине волны происходит прием и передача оптического сигнала по двум каналам связи.



Рисунок 3.4. Схема исполнения дуплексной системы с одной длиной волны(И - источник, П - Приемник).

Второй вариант схемы исполнения дуплексной системы представлен на рис. 3.5.

Прием и передача сигнала осуществляется по одному каналу на разных длинах волн.

Рисунок 3.5. Схема исполнения дуплексной системы на разных длинах волн.

3.5 Выбор схемы для построения конструктивной схемы

В разработке схемы мы использовали пассивную схему построения АОЛС, в связи с тем, что к приемопередающему оптическому модулю, расположенному вне герметичного отсека, затруднен подвод питания. При выбранной схеме источником и приемником оптического излучения является торец оптического волокна, расположенного в непосредственной близости к фокусу приемопередающей оптической системы.

4. Источники излучения

В оптических системах связи и обработки информации могут применяться различные источники света: газоразрядные, полупроводниковые, твердотельные лазеры, светодиоды, суперлюминесцентные диоды и др.

4.1 Полупроводниковые лазеры

Принцип действия полупроводниковых лазеров (ППЛ) основан на вынужденной излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, в активных полупроводниковых структурах, получаемых при прохождении через такие структуры электрического тока накачки. Наибольшее распространение получили лазеры на гетероструктурах (гетеролазеры), лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) и лазеры на квантоворазмерных структурах (КРС-лазеры).

Современные ППЛ, применяемые в системах оптической связи, обычно работают в спектральных диапазонах высокой прозрачности кварцевого оптоволокна - 0.82…0.90 мкм, 1.30…1.33 мкм и около 1.55 мкм. Типичная мощность излучения таких ППЛ от 1 до 5 мВт; увеличение выходной мощности ППЛ для магистральных волоконно-оптический систем передачи информации (ВОСПИ) сверх 5-10 мВт нецелесообразно, так как срок действия мощных лазеров сравнительно невелик. Кроме этого, при больших плотностях мощности в одномодовом волокне заметную роль начинают играть нелинейно-оптические явления, приводящие к искажениям передаваемых сигналов. Ширина спектра излучения лучших образцов промышленных полупроводниковых лазеров около 0.1 нм при уровне боковых частот ниже 20 дБ. В одночастотных ППЛ, используемых в системах когерентной оптической связи, полуширина спектра генерации менее 500 МГц. Как правило, ППЛ для ВОЛС выпускаются в виде компактных оптоэлектронных модулей, содержащих сервисную электронику (усилитель подводимого сигнала, систему авторегулировки мощности, температуры и др.), фотоприемник для контроля мощности выходного излучения, терморезистор и полупроводниковый термоэлемент (элемент Пельтье) - «холодильник», управляемый специальным электронным устройством и поддерживающий стабильную рабочую температуру внутри модуля.

В таком модуле излучение из активной области ППЛ с использованием микролинз вводится в выходное одномодовое или многомодовое оптоволокно. В последние годы выпуск отдельных излучательных полупроводниковых модулей для ВОСПИ становится ограниченным, и гораздо большее распространение в технике оптической связи находят приемо-передающие оптоэлектронные модули, содержащие в едином компактном блоке полупроводниковые излучатель и фотоприемник. Частота модуляции современных коммерческих высокоскоростных ППЛ составляет от нескольких десятков - сотен МГц до примерно 1.5…2.5 ГГц. В уникальных образцах ППЛ достигнута скорость передачи сигналов свыше 25 Гбит/с. В последние годы повышенный интерес разработчиков ВОСПИ вызывают «викселы» - полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical-cavity surface-emitting lasers). В таких лазерах резонатор образован двумя объемными дифракционными решетками Брэгга и излучение генерируется в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, являющейся основанием гетероразмерных и квантоворазмерных слоев полупроводников. Благодаря сверх короткой длине L резонатора Фабри- Перо, викселы генерируют на одной продольной моде, при этом диаметр выходного пучка лазера достигает 20…30 мкм, что позволяет осуществлять его эффективную фокусировку в одномодовое волокно. Пороговый ток викселов крайне мал - до 2…5 мА, мощность излучения около 1 мВт. Приложением электрического поля в направлении оси резонатора в некоторых (консольных) вариантах VCSEL удается осуществлять плавную перестройку длины волны генерации в полосе длин волн 1530… 1560 нм.

4.2 Полупроводниковые светодиоды

В ВОСП небольшой (0.1…1.0 км) протяженности, а также в низкоскоростных (не боле 10 Мбит/с) ВОСП в качестве источников света нередко используются полупроводниковые светодиоды, отличающиеся сравнительно малой мощностью излучения (до 0.5 мВт) и большой (около 20…30 нм) шириной спектра излучения. В основе действия светоизлучающих полупроводниковых диодов (СИД) лежит спонтанная рекомбинация электронно-дырочных пар в активной области гетеро- либо квантоворазмерной полупроводниковой структуры. Диапазон рабочих длин волн современных СИД весьма широк - от 0.4 до 1.6 мкм. СИД активно используются и в технике систем индикации, в осветительной и сигнальной технике; разработаны СИД с мощностью излучения до 30 мВт в диапазонах длин волн около 690, 590, 470 нм, а также различные типы СИД белого свечения. помехоустойчивость оптический связь дуплексный

Степень поляризации выходного излучения СИД близка к нулю. СИД обычно используются в линиях передачи сигналов на основе многомодовых волоконных световодов с большим (десятки-сотни мкм) диаметром сердцевины, в том числе изготовленных из недорогих полимерных материалов. Удобно применение СИД и в открытых системах связи с дальностью действия в пределах 100 м, используемых на промышленных объектах и строительных площадках. Характерная особенность СИД, применяемых в системах связи, - линейная ватт- амперная характеристика в широком диапазоне токов накачки, что делает их весьма удобными в аналоговых оптоэлектронных системах передачи и обработки сигналов. Основные достоинства СИД - малая потребляемая электрическая мощность, дешевизна и значительная долговечность (около 105 часов).

4.3 Суперлюминесцентные диоды

В суперлюминесцентных диодах (СЛД) последовательно действуют два процесса генерации света: первичное излучение возникает в результате спонтанной рекомбинации электронно-дырочных пар и вторичное - вынужденное излучение - является основой механизма усиления спонтанного излучения в активной среде. Активная среда в СЛД обладает высоким оптическим коэффициентом усиления, оптический резонатор в СЛД отсутствует и такой излучатель, в целом, можно рассматривать как однопроходный усилитель света. В конструкции СЛД достигнута высокая степень подавления лазерных (резонансных) эффектов, в результате чего широкая, с полушириной около 20…40 нм, спектральная кривая распределения мощности выходного излучения примерно соответствует распределению Гаусса. Мощность излучения СЛД обычно находится в пределах 3…10 мВт (имеются промышленные образцы СЛД мощностью в несколько сотен мВт) при токах накачки величиной от 50 до 150 мА. Спектральный рипл (относительная величина резонансных максимумов на спектральной зависимости мощности излучения) в лучших образцах СЛД менее 0.5 %. Излучение СЛД частично поляризовано (степень поляризации 30-40%), а ватт-амперная характеристика таких излучателей существенно нелинейная. В ВОСПИ СЛД применяются сравнительно редко и основной областью их практического использования являются различные оптические измерительные устройства (например, волоконные гироскопы), датчики, системы индикации.

4.4 Источник излучения схемы АОЛС

В конструктивной схеме расмотрим применение ИК лазерного диода с длиной волны 1310нм, мощностью излучения 1,5 мВт, марки FL-3100 . Данный лазерный диод позволяет передавать информацию со скоростью до 1 Гб/с.

Рис. 4.1 ИК лазерный диод

5. Приемники излучения

Фотоприемники - устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения. Существуют различные типы фотоприемников, в которых используются вещества в разных агрегатных состояниях. Наряду с одноэлементными приемниками существуют многоэлементные приемники, с отдельными при?мными элементами, дискретно или непрерывно распредел?нными по поверхности.

5.1 p-I-n-фотодиоды

P-I-N фотодиод представляет собой трехслойную структуру из p- и n-полупроводников, разделенную сравнительно протяженной I - областью слаболегированного полупроводника. Поглощение квантов света происходит в обедненной I- области, при этом в результате внутреннего фотоэффекта в объеме этого слоя образуются электроны и дырки, время жизни которых намного превышает их время жизни в p- и n- слоях (где они быстро рекомбинируют). Во внешнем электрическом поле носители заряда дрейфуют, обусловливая электрический ток в замкнутой электрической цепи фотоприемного устройства. Спектральная чувствительность p-I-n фотодиодов определяется типом полупроводниковой структуры, при этом красная граница фотоэффекта составляет около 0.9 мкм для арсенида галлия, 1.1 мкм для кремния и 1.7 мкм для германия. Сегодня разработаны и практически используются более сложные фотоприемные полупроводниковые структуры, в том числе квантоворазмерные, обладающие высокой квантовой эффективностью как в узкой, так и в широкой полосах спектра длин волн. В лучших образцах p-I-n фотодиодов чувствительность фотодиода (отношение величины фототока к мощности падающего излучения) достигает уровня свыше 0.9 А/Вт. Временные характеристики p-I-n фотодиодов определяются толщиной обедненного I- слоя, скоростью дрейфа носителей заряда и собственной емкостью фотодиода и подводимых электродов. Высокоскоростные p-I-n фотодиоды характеризуются временем нарастания-спада регистрируемого оптического сигнала величиной 10 - 100 пикосекунд. Величина обратного напряжения смещения в p-I-n- фотодиодах обычно от 10 до 20 В.

5.2 Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды (ЛФД) относятся к полупроводниковым фотоприемникам с внутренним усилением фототока. Конструктивно в лавинных фотодиодах между областью поглощения света (р - областью) и n- областью полупроводниковой p-р -n- структуры расположен дополнительный слой p- полупроводника, тот есть структура ЛФД имеет вид p-р -p-n. При высоком напряжении обратного смещения носители, дрейфующие в р-области, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника. Благодаря большой, около 105 В / см, напряженности электрического поля вблизи границы p- и n- полупроводников, первичная, образовавшаяся при поглощении одного кванта электронно-дырочная пара может создать десятки-сотни вторичных пар. В результате лавинного умножения числа носителей величина фототока в ЛФД, по сравнению с фототоком в p-I-n- фотодиоде, возрастает в 100 000 раз, что способствует увеличению чувствительности такого фотоприемника более чем на порядок. Основным недостатком ЛФД являются сравнительно большие шумы, вызванные температурными флуктуациями величины коэффициента лавинного умножения. Величина обратного напряжения смещения в современных ЛФД лежит в пределах 30 - 200 В и устанавливается с высокой точностью, например, около 0.1 В. Полоса рабочих частот ЛФД достигает 80 ГГц. и длины регенерационного участка линии передачи.

5.3 Приемник излучения схемы АОЛС

В качестве приемника излучения схемы АОЛС целесообразно использовать p-i-n фотодиод марки (DFD-70), со спектральной чувствительностью 0,85 А/Вт при длине волны 1330 нм, с размером площадки до 70 мкм.

Это обусловлено следующими его свойствами.

P-I-N фотодиод обеспечивает требуемый динамический диапазон и быстродействие до 1 Гб/с. Зависимость характеристик фотодиода от изменений окружающих условий (температуры, вибраций) минимальна. Спектральная характеристика согласована с длиной волны излучателя. Кроме того, фотодетектор имеет малые габариты и массу, отвечает условиям совместимости с оптоволокном и электронными устройствами, потребляет малую энергию.

Данный тип фотодиода обеспечивает функционирование в требуемом спектральном диапазоне, максимальную интегральную чувствительность, минимальную эквивалентную мощность шумов и минимальный темновой ток.

6. Волоконно-оптическая линия связи

6.1 Волоконно-оптическая линия связи для соединения приемопередающих оптических и электронных модулей

Оптическое волокно (ОВ) представляет собой диэлектрический волновод, изготовленный из кварцевого стекла. Он имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1 =1.43, окруженную оболочкой с показателем преломления n2 = 1.41 для материала, изготовленного из кварца.

Преимущества ОВ как среды передачи информации являются:

Широкая полоса частот (до 1014 Гц) и низкое затухание света в волокне (0,1…0,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотен километров без регенерации сигнала), нечувствительность к электромагнитным полям (волокно может прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации.

Пожаро-взрыво-безопасноcть (в волоконно-оптических сетях обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием);

высокая степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации.

Малый объем и массу в расчете на единицу передаваемой информации;

Существует два типа оптических волокон:

· многомодовые (ММ);

· одномодовые (SM);

Отличающиеся диаметрами световедущей сердцевины. Многомодовое волокно, в свою очередь, бывает двух типов: со ступенчатым и градиентным профилями показателя преломления по его сечению.

Диаметр сердцевины оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления лежит в пределах от 100 до 200 мкм; значение показателя преломления n1 по всему поперечному сечению сердцевины постоянно и резко падает (ступенчатый) на границе с оболочкой. Конструкция данного волокна представлена на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1. Многомодовое оптическое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления.

В ступенчатом волокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине волокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различные времена распространения по волокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по волокну. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по волокну. Область применения ступенчатых волокон короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 1000 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения, как правило, 0.85 мкм.

В многомодовом оптическом волокне с градиентным профилем показателя преломления значение показателя преломления плавно изменяется от центра к краям сердцевины. Конструкция волокна представлена на рисунке 6.2. Благодаря этому число распространяющихся в сердцевине мод и различия в длинах оптических путей этих мод значительно уменьшаются и соответственно уменьшается и дисперсия.



Рисунок 6.2. Многомодовое оптическое волокно с градиентным показателем преломления

Градиентное волокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется во внутриобъектовых линиях длиной до 5 км, со скоростями передачи до 1 Гб/c на длинах волн 0,85 мкм и 1,35 мкм.

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм, представлено на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3. Одномодовое оптическое волокно

В этом волокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации. Рабочие длины волн л1 = 1,31 мкм и л2 = 1,55 мкм.

С развитием магистральных и локальных волоконно оптических сетей связи было освоено производство нескольких дополнительных типов одноподовых оптических волокон, отличающихся величиной затухания, его распределением по спектру и дисперсией.

Распространение света в волоконном световоде характеризуется множеством параметров, самыми важными из которых являются потери на распространение и дисперсия в заданном спектральном диапазоне. Потери характеризуются величиной затухания световой волны на единицу длины волокна и измеряются в дБ/км. Дисперсия определяет степень уширения светового импульса по мере его прохождения по волокну. Существует три вида дисперсии в оптическом волокне: межмодовая, хроматическая и поляризационно-модовая. В зависимости от типа волокна в нем преобладает тот или иной вид дисперсии.

В многомодовых волокнах определяющей является межмодовая дисперсия, которая обусловлена наличием большого числа распространяющихся мод и различиями времен их распространения по волокну. AdminМежмодовая дисперсия не зависит от длины волны излучения, поэтому дисперсионные характеристики многомодовых оптических волокон оцениваются по информационной полосе пропускания в МГц·км.

В стандартных одномодовых волокнах определяющей является хроматическая дисперсия, которая выражается в различии показателей преломления и, следовательно, в скоростях распространения излучения с различными длинами волн. Величина этой дисперсии зависит от типа источника излучения.

Хроматическая дисперсия выбрана международным союзом связистов (INU) в качестве критерия для классификации одномодовых оптических волокон. Согласно этому критерию, существует три типа одномодовых оптических волокон:

Стандартное одномодовое волокно (тип G.652). Это наиболее ходовой тип волокна, используется в мире с 1988 года в магистральных и зоновых волоконно-оптических системах. Параметры (потери и дисперсия) этого волокна оптимизированы на длину волны 1310 нм (минимум хроматической дисперсии), оно может использоваться и в диапазоне длин волн 1525...1565 нм, где имеет место абсолютный минимум потерь в волокне.

Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией (тип G.653). Называется так потому, что абсолютный минимум хроматической дисперсии путем выбора специальной формы профиля показателя преломления смещен в диапазон длин волн л = 1550 нм абсолютного минимума потерь в волокне. Волокно G.653 оптимизировано для высокоскоростной передачи на одной длине волны и имеет ограниченные возможности для передачи на нескольких длинах волн. Использовалось при строительстве магистральных линий связи в Японии, Италии, США и других странах с 1985 года.

Одномодовое волокно со смещенной в область длин волн равной 1550 нм и ненулевой дисперсией (тип G.655). Волокно оптимизировано для высокоскоростной передачи информации на нескольких длинах волн в диапазоне л = 1550 нм. Волокно G.655 разработано для волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов - DWDM-систем.

Измерение хроматической дисперсии в одномодовых ВОЛС довольно продолжительное время также считалось неактуальным, так как предполагалось, что коэффициент хроматической дисперсии - паспортный параметр ОВ, который измеряется в заводских условиях и в процессе прокладки оптического кабеля и эксплуатации ВОЛС не изменяется. Это было справедливо для ВОЛС со скоростями передачи до 622 Мбит/с (STM 4). При скорости передачи 2,5 Гбит/с и более, которые стали применяться в конце 80-х годов, было обнаружено существенное влияние температуры и других внешних воздействий на этот параметр.

Главной тенденцией в развитии (ВОЛС) является увеличение скорости передачи информации и полосы частот передаваемых по волокну сигналов. В настоящее время уже существуют коммерческие ВОЛС, обеспечивающие скорости передачи информации до 100 Гбит/с, и имеются все предпосылки и технические возможности для создания ВОЛС на скорости передачи информации до 1000 Гбит/с на расстояния до тысячи километров.

При таких скоростях существенное влияние на качество передачи информации начинает оказывать поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) волокна, которая до последнего времени не принималась во внимание. К настоящему времени ведущие производители оптических волокон уже ввели спецификацию на ПМД волокна. ПМД - это дисперсия, вызываемая разностью в скоростях распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, существующих в одномодовом волокне. Наличие ПМД приводит к тому, что результирующий выходной импульс света уширяется по сравнению с входным. В идеальном волокне эти моды являются вырожденными, имеют одинаковые скорости распространения и поэтому ПМД отсутствует. AdminРазность в скоростях распространения ортогональных мод в волокне может быть вызвана целым рядом причин, которые в общем случае влияют на такие характеристики волокна как двулучепреломление и взаимодействие или смешение мод. Двойное лучепреломление (или двулучепреломление) обусловлено разницей значений показателей преломления для двух ортогональных мод. Чем выше двулучепреломление в волокне, тем больше его ПМД. Взаимодействие или смешение мод происходит на тех участках волокна, где осуществляется обмен энергией световой волны между быстрыми и медленными модами, например в местах соединения волокон или изгибах. Следовательно, результирующая ПМД складывается случайным образом и величина ПМД носит случайный характер. Именно поэтому на длинных отрезках волокна значение ПМД пропорционально квадратному корню из длины волокна L.

...