Исследование методов модуляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Узбекское агентство связи и информатизации

Ташкентский университет информационных технологий

На правах рукописи

Исследование методов модуляции

Специальность: 5А522203

«Оптические системы связи и обработка информации»

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание степени магистра телекоммуникаций

Турсунбоев А.

Научный руководитель

Доцент Хашимов Х.М.

Ташкент 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ВОПРОСАМ МОДУЛЯЦИИ ПОТОКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОСП

1.1 Принципы построения и функционирования ВОСП

1.2 Процесс модуляции оптической несущей в ВОСП

1.2.1 Прямая (непосредственная) модуляция оптической несущей

1.2.2 Модуляция оптического излучения с использованием внешнего модулятора

1.2.3 Форматы линейных кодов

1.3 Физические основы оптических модуляторов

1.4 Типы оптических модуляторов и их основные параметры

1.5 Постановка задачи магистерской диссертационной работы

Выводы по первой главе диссертации

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ПРЯМОЙ (НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ) МОДУЛЯЦИИ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 Схемная реализация и принцип работы модулятора мощности источника излучения с прямой (непосредственной) модуляцией аналоговым сигналом

2.2 Математическая модель модуляторов мощности источника излучения с прямой (непосредственной) модуляцией аналоговым сигналом

2.3 Диодные и транзисторные модуляторы мощности источника излучения, применяемые в цифровых ВОСП

2.4 Вопросы управления возбуждением источника излучения интегральными логическими элементами в модуляторах с прямой (непосредственной) модуляцией

2.5Модуляция мощности источника излучения с помощью транзисторно-транзисторного интегрального логического элемента

2.6 Модуляция мощности источника излучения с помощью интегрального логического элемента ЭСЛ

Выводы ко второй главе диссертации

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ НА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ, АКУСТООПТИЧЕСКИХ, МАГНИТООПТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТАХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МОДУЛЯТОРОВ

3.1 Электрооптические модуляторы

3.1.1 Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса

3.1.2 Электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера

3.2 Акустооптические модуляторы

3.2.1 Модуляторы на основе дифракции Рамана-Ната

3.2.2 Модуляторы типа Брэгга

3.3 Магнитооптические оптические модуляторы

3.4 Тонкопленочные и полупроводниковые оптические модуляторы

Выводы по третьей главе диссертации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Президент Республики Узбекистан И. Каримов в своих выступлениях за последние годы неоднократно подчеркивает, что дальнейшее неуклонное развитие нашей страны неразрывно связано с внедрением и освоением в различные отрасли народного хозяйства наукоёмких высоких технологий.

К числу таких технологий относится волоконно-оптическая технология, составляющая основу современных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), которые превратились в один из наиболее конкурентно - способный и перспективный вид техники связи.

В связи с этим ведутся интенсивные работы по широкому внедрению ВОСП в сети телекоммуникации нашей республики. Освоен и успешно эксплуатируется участок с протяженностью более 1000 км трансконтинентальной магистрали ВОСП, связывающей страны Азии и Европы. Проведена и ведётся большая работа по удлинению этой магистрали до областных и районных центров страны, внедрению оптическую связь в нефтегазовые и коммуникационные сети народного хозяйства, по подготовке кадров, специализирующихся по этому перспективному направлению.

Создание высокоэффективных источников света, высокочувствительных приёмников оптического излучения и разработка волоконных световодов с малыми потерями к середине семидесятых годов прошлого столетия, послужили основой к появлению и стремительному развитию оптической связи.

Ряд ценных свойств оптической связи делают её привлекательной для применения в телефонии, кабельном телевидении, бортовой связи космических аппаратов, самолетов, морских кораблей, во внешней и внутренней связи между ЭВМ, в целях контроля и управления технологическими процессами. Благодаря этому оптическая связь сегодня успешно конкурирует с другими видами связи.

Любая система связи предполагает наличие носителя информации и среды распространения информации. В одноканальной или многоканальной электрической связи таким носителем информации является электрон, а средой распространения информации - электрические провода. В случае же радиосвязи носителем информации являются электромагнитные волны, радиодиапазона с частотой 10⁴-10⁸ Гц и СВЧ диапазона (с частотой 10⁹ - 10¹²Гц), а средой распространения информации является атмосфера.

Отличительная особенность оптической связи заключается в том, что в ней в качестве носителя информации используется электромагнитная волна оптического диапазона, а средой распространения информации - околоземная атмосфера или специально созданный диэлектрический волновод - волоконный световод.

Любая система связи, в том числе оптическая, предназначена для передачи информации с одного пункта в другой. В последнем случае такая передача осуществляется путём модуляции светового потока информационным сигналом. В связи с этим исследование методов модуляции оптического излучения, особенностей его прямой (непосредственной), внутренней и внешней модуляции, сравнительный анализ оптических модуляторов, функционирующих на основе различных эффектов представляет собой одну из актуальных задач.

Данная магистерская диссертационная работа посвящена именно этим вопросам.

Целью магистерской диссертационной работы является исследование особенностей прямой (непосредственной) и внешней модуляции оптической несущей, применяемых в волоконно-оптических системах передачи, в рамках которой решаются следующие задачи:

- системное рассмотрение вопросов, связанных с модуляцией оптической несущей и обзор литературных данных по этим вопросам;

- анализ особенностей акустооптических, электрооптических, магнитооптических и др. эффектов, составляющих физическую основу оптических модуляторов, применяемых в ВОСП;

- исследование принципов построения и особенностей функционирования устройств прямой (непосредственной) модуляции мощности оптического излучения;

- разработка математической модели процесса модуляции мощности оптического излучения электронным устройством прямой (непосредственной) модуляции к аналоговым сигналом;

- исследование особенностей функционирования электрооптических, акустооптических, магнитооптических оптических модуляторов;

- сравнительная характеристика оптических модуляторов с точки зрения их применения в ВОСП;

- разработка электронной версии диссертации.

Научная новизна магистерской диссертации состоит в том, что в ней делается попытка системного рассмотрения вопросов, связанных с модуляцией оптической несущей в ВОСП, исследуется особенности функционирования электронных устройств прямой (непосредственной) модуляции мощности оптического излучения и электрооптических, акустооптических, магнитооптических оптических модуляторов, предлагается математическая модель процессов модуляции мощности оптического излучения электронным устройством прямой (непосредственной) модуляции и количественное соотношение для расчёта акустооптического модулятора, даётся сравнительная характеристика оптических модуляторов, применяемых в ВОСП.

Практическая ценность магистерской диссертации заключается в том, что её материалов могут быть использованы в учебном процессе по дисциплинам «Основы оптической связи» (для студентов бакалавриатуры), «Теория оптической связи», «Оптические системы и сети связи» (для магистрантов).

Результаты магистерской диссертационной работы апробированы на научном семинаре кафедры «Телекоммуникационные системы передачи», на научно-технической конференции докторантов, аспирантов, магистрантов и одарённых студентов ТАТУ на тему «Информационно- коммуникационные технологии», проведенной 25-26 марта 2010 года в г. Ташкенте.

По материалам магистерской диссертационной работы сданы в печать следующие статьи:

1. Хўжамов Ж. Ёру?лик нурланишини модуляциялашнинг физик асослари. ТАТУ докторантлари, аспирантлари, магистрантлари ва и?тидорли талабаларининг “Ахборот - коммуникация технологиялари” мавзусидаги илмий-техник конференцияси материаллари. Тошкент, “Ало?ачи”нашр матбаа маркази, 2010.

2. Хужамов Дж, Мухитдинов Б.Ш., Юнусов Н. Методы стабилизации мощности источника излучения передающего оптоэлектронного модуля ВОСП. ТАТУ. (подготовлена к печати)

оптический волоконный модуляция

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ВОПРОСАМ МОДУЛЯЦИИ ПОТОКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОСП

1.1 Принципы построения и функционирования ВОСП

Типовая схема системы связи, использующей ВОСП, показана на рис. 1.1[1, 2]. Аналоговый сигнал, генерируемый оконечным оборудованием данных (ООД), например, телефоном, терминалом, видеокамерой и т.д., приходит на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь (кодер) оцифровывает его в битовый поток. Битовый поток используется для модуляции оптического передатчика, который передает серию оптических импульсов в оптическое волокно. На приемной стороне импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приемника. Декодерная часть коммуникационной системы преобразует бинарный электрический поток обратно в аналоговый сигнал ООД. Обычно кодеры и декодеры, а так же оптические приемники и передатчики совмещаются в одном устройстве, так что образуется двунаправленный канал связи.

Рис. 1.1. Типовая структурная схема волоконно-оптической системы связи

Оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового) сигнала в выходной световой (цифровой или аналоговый) сигнал. При цифровой передаче оптический излучатель передатчика "включается" и "выключается" в соответствии с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды ILD. Эти устройства способны поддерживать модуляцию излучаемого света с мегагерцовыми и даже гигагерцовыми частотами. При построении сетей кабельного телевидения оптический передатчик осуществляет преобразование широкополосного аналогового электрического сигнала в аналоговый оптический. В последнем случае оптический передатчик должен иметь высокую линейность.

Оптический приемник осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используются p-i-n и лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность.

Если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга, например на несколько сот километров, то может дополнительно потребоваться одно или несколько промежуточных регенерационных устройств для усиления, ослабевающего в процессе распространения оптического сигнала, а также для восстановления фронтов импульсов. В качестве таких устройств используются оптические усилители и регенераторы.

Регенератор состоит из оптического приемника, электрического усилителя и оптического передатчика. При передаче дискретного сигнала электрическое усиление, как правило, также может сопровождаться восстановлением фронтов и длительностей передаваемых импульсов. Для этого регенератор принимает оптический сигнала в синхронном или асинхронном режиме, в зависимости от стандарта передачи.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, как это делает регенератор. Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. Таким образом, усилитель не наделен функциями восстановления формы сигнала, в чем уступает регенератору. Однако, есть две основные причины, которые делают применение усилителя более предпочтительным:

- следует иметь в виду, что качество сигналов, переедаемых по оптическому волокну, даже если сегмент протяженный, остается очень высоким вследствие малой дисперсии и затухания. Также не велик уровень вносимых шумов из-за подверженности волокна влиянию электромагнитного излучения. Поэтому ретрансляция предаваемых данных простым усилителем без полной регенерации становится весьма эффективной.

- оптический усилитель является более универсальным устройством, поскольку в отличие от регенератора он не привязан к стандарту передающегося сигнала или определенной частоты модуляции.

На практике на один регенератор может приходиться несколько последовательно расположенных оптических усилителя (до 4-8). Таким образом, эффективность использования оптических усилителей при построении волоконно-оптических магистралей большой протяженности очень высока.

Волоконно-оптический кабель (ВОК). Характерная строительная длина оптического кабеля (длина непрерывного участка кабеля, поставляемого на одном барабане) варьируется в зависимости от производителя и типа кабеля в пределах 2-10 км. На протяженных участках между оптическими усилителями и регенераторами могут помещаться десятки строительных длин кабеля. В этом случае производится специальное сращивание (как правило, сварка) оптических волокон. На каждом таком конце ВОК защищаются специальной герметичной проходной муфтой.

На рис.1.1 изображено только одно направление передачи потока информации в виде речи от источника информации к пользователю информации. Аналогичным образом можно организовать передачу потока информации в обратном направлении. Вдобавок к этому в современных оптических системах связи, основанных на разделении каналов по длине волны излучения по одному оптическому волокну можно организовать сотни каналов рис.(1.2). В результате достигнуты скорости передачи по одному каналу до нескольких десятков Гигабит/c, а по совокупности каналов до 17 терабит/с.

Рис. 1.2. Структурная схема ВОСП с разделением по длине волны каналов [3]

Оптические системы связи, описанные выше, благодаря ряду свойств - широкой полосе пропускания, обусловленной высокой частотой оптической несущей (10¹⁴Гц), высокой скорости передачи, помехоустойчивости воздействию электрических и магнитных полей (информация в этом случае в отличие от электронов передается электрически нейтральными частицами - фотонами), гальванической развязки входных и выходных электрических цепей, изготовлению из широко распространенных в земной коре элемента - кремния, малых размеров и веса нашли широкое применение в телефонии, кабельном телевидении, бортовой связи космических аппаратов, самолетов, морских кораблей, во внешней и внутренней связи между ЭВМ, в целях контроля и управления технологическими процессами, сегодня превратилась в конкурентно - способный и перспективный вид техники связи.



1.2 Процесс модуляции оптической несущей в ВОСП

В общем случае модуляция оптической несущей - это изменение параметров света, главным образом его амплитуды или фазы, но можно говорить и об изменении поляризации, направления распространения, частоты распределения мод и т.д. в зависимости от управляющего сигнала. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и даже оптическим.

Существуют разные способы получения модулируемого оптического излучения[3,4]. Первый из них - прямая (непосредственная) модуляция, при которой модуляция оптического излучения ЛД или СИД достигается путем изменения тока накачки (рис.1.3 а). Второй способ -- модуляция излучения немодулированного источника света. Это внешняя модуляция (рис.1.3 б). И наконец, если есть соответствующий модулятор, то его можно ввести в лазерный резонатор и осуществить таким образом внутреннюю модуляцию (рис.1.3 в). Внутренняя модуляция является по существу разновидностью прямой (непосредственной) модуляции.

Прямая (непосредственная) модуляция осуществляется электронными устройствами на основе биполярных и полевых транзисторов, с помощью которых управляют электронными и оптическими процессами в источниках излучения электронно-оптического модуля ВОСП.

Для внешней модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на оптическое излучение. Для этой цели необходим оптический модулятор. Оптический модулятор -- это некая система, в которой происходит взаимодействие света с веществом.

в)

Рис. 1.3. Модуляция оптического излучения: а) прямая; б) внешняя; в) внутренняя [3]

В этих модуляторах используются кристаллы из материала, у которых либо показатель преломления, либо поглощение световой волны изменяется модулирующим сигналом. Управление показателем преломления основывается либо на электрооптическом эффекте (на параметры оптического излучения влияет электрическое поле), либо на магнитооптическом эффекте (на параметры оптического излучения действует магнитное поле), либо на акустооптических эффектах (на параметры оптического излучения влияют пьезоэлектрические изменения плотности). В модуляторах оптической связи используется преимущественно электрооптический эффект. Акустооптические модуляторы получаются сложнее, чем электрооптические, и более громоздки.

В силу того, что быстрое изменение магнитного поле затруднено быстродействие магнитооптических модуляторов невысокое. При демодуляции используется в основном два вида приема оптических сигналов: непосредственный прием фотодетектором (некогерентный прием) и когерентный прием, в котором применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемое на промежуточной частоте.

1.2.1 Прямая (непосредственная) модуляция оптической несущей

Прямая (непосредственная) модуляция интенсивности излучения полупроводниковых источников излучения - светоизлучающих диодов и лазерных диодов основывается на быстротечности электронно-оптических переходных процессов (ф_вкл и ф_выкл для светодиодов ~ 10^-7-10--⁸ с, а для лазерных диодов 10^-9 ч 10^-10с), что позволяет эффективно управлять этими процессами информационным сигналом. Это достоинство определяется малым средним временем жизни неосновных носителей заряда в светодиодах и соответственно возможностью быстрого включения инверсной населенности в лазерных диодах, Переходная характеристика многомодового лазера, показанная на рис.1.4, отражает процесс установления стационарного режима. Рис.1.4 при возбуждении лазера скачком тока наблюдается задержка начала генерации на время ф₂, необходимое для возрастания плотности неравновесных носителей до порогового уровня, которая определяется выражением[3]:

·20 lg[I/(I- I_и)]. (1.1)

При этом может быть уменьшено, если через лазер протекает ток смешения I см.

·20 lg[I /( I- I_и +I_см)] . (1.2)



Быстрое включение инверсной населенности приводит к появлению затухающих колебаний интенсивности излучения - инверсной населенности около их стационарных значений. Частота этих релаксационных колебаний fр в идеальном одномодовом лазере описывается приближенной формулой

(1.3)

где фф?10^-12 с время жизни фотона в резонаторе, определяемое потерями в нем. Релаксационным колебаниям в переходной характеристике лазера соответствует резонанс вблизи f_р на частотной характеристике (рис.1.5).

Таким образом, можно считать, что при импульсной модуляция током накачки с длительностью и при аналоговой модуляции с частотами в спектре f<<f_р в каждый момент времени интенсивность принимает стационарное значение в соответствии со статической ватт-амперной характеристикой лазера. При и f~f_р существенное влияние начинают оказывать переходные процессы.

Расчеты показывают[3], что при использовании миогомодовых лазеров достаточно просто реализуется ИКМ со скоростью 400 Мбит/с. Применяя одномодовые ЛД, можно получить скорость передачи порядка нескольких терагерц. В настоящее время существуют лазеры, позволяющие работать со скоростью передачи 14 ГГц и более.

Для спонтанных источников света, таких как светоизлучающий диод (СИД), применима только прямая модуляция интенсивности посредством управления возбуждением. В СИД мощность излучения растет линейно с увеличением тока инжекции I_и и ограничивается лишь термическими эффектами.

Рассмотрим модуляцию по интенсивности при использовании аналогового модулирующего сигнала. На рис.1.6 показан процесс модуляции. Рабочая точка с параметрами P_o и I_o выбирается в середине линейного участка ватт-амперной характеристики. Модуляция осуществляется в режиме А, и выражение для коэффициента модуляции имеет вид

, (1.4)

где I_д -- действующее значение тока сигнала модуляции.

При аналоговой модуляции требуется хорошая линейность (малый уровень гармоник). С целью получения малых нелинейных искажений можно либо уменьшить глубину модуляции, что приведет к снижению отношения сигнал-шум при приеме, либо осуществить компенсацию вносимых нелинейных искажений. Используются несколько методов компенсации нелинейности оптического излучателя: введение предыскажений, метод фазовой модуляции; метод полупредыскажений и метод отрицательной обратной связи.

Введение предыскажений предполагает предварительное внесение в передаваемый сигнал электронными методами искажений, обратных тем, которые при модуляции внесет оптический излучатель.

Метод фазовой модуляции состоит в одновременной модуляции двух СИД с идентичными характеристиками, равными по величине, но сдвинутыми по фазе на р/2 токами Icosщt и . Последующее сложение излучаемых мощностей позволяет подавить вторые гармоники, т. е. слагаемые вида и .

В методе полупредыскажений используется опорный светодиод. который позволяет оценить уровень вносимых искажений и скорректировать их путем соответствующего изменения тока модуляции излучателя. Как и в предыдущем методе, основное неудобство состоит в том, что нужны два диода с идентичными характеристиками, которые можно изготовить только по специальному заказу.

Метод отрицательной обратной связи широко используется в усилителях и самый простой в реализации. Он заключается в том, что с помощью вспомогательного волокна отводят малую долю излучаемой мощности Р, которая затем воздействует на ток, модулирующий излучающий СИД.

Пусть ток обратной связи[3]:

, (1.5)

где - коэффициент, учитывающий эффективность связи между излучением и вспомогательным фотоприемником, а также усиление последнего. Следовательно, фактический модулирующий ток

. (1.6)

В хорошем приближении характеристику излучения СИД можно считать параболой вида

, (1.7)

где 10^-2 Вт/А; b ?2·A^-1. Подставив сюда ток, выраженный через ток сигнала I и излучаемую мощность P, получим

. (1.8)

Решая уравнение относительно , находим

]/2abв. (1.9)



Выбрав только одно решение, которое дает Р=0 при I=0, и разложив его в ряд по степеням ), получим, ограничившись двумя первыми членами:

. (1.10)

Отсюда

. (1.11)

Если сравнить полученное выражение для излучаемой мощности с тем. которое было бы в отсутствие обратной связи, а именно P=, то нетрудно видеть, что амплитуда искажений уменьшается в ()² раз, но одновременно с этим и излучаемая мощность уменьшается в раз. Таким образом, коэффициент обратной связи нужно выбирать на основе компромисса между требованием низкого уровня нелинейных искажений, с одной стороны, и требованием высокой стабильности схемы и высокой излучаемой мощности -- с другой.

При модуляции СИД цифровыми сигналами схема передатчика упрощается, поскольку не требуется дополнительная линеаризация ватт - амперных характеристик.

При модуляции интенсивности цифровыми сигналами возникает задержка между скачком тока инжекции и началом излучении. На рис.1.7 показано включение, и выключение СИД скачками тока. После скачка тока I вначале увеличивается U, а затем с задержкой на t_c и временем нарастания ф начинается излучение. После выключения тока интенсивность излучения уменьшается примерно экспоненциально с постоянной времени ф. Напряжение спадает еще медленнее.

Рис. 1.7. Временные характеристики ЛД при МИ цифровыми сигналами

Для того чтобы уменьшить задержку t_c между скачком тока и началом излучения при цифровой модуляции, нужно подать на СИД смещение, близкое к контактной разности потенциалов. При таком смещении задержка обусловлена только временами нарастания и спада ф, которые расширяют импульс, по меньшей мере, до 2ф. В целом значение ф определяет частотную характеристику СИД.

Наряду с достоинствами непосредственной модуляции, отмеченными в начале настоящего параграфа, следует отметить следующие недостатки этого вида модуляции:

-нелинейная зависимость мощности излучения от тока (нелинейность ватт-амперной характеристики);

-метод оказывает динамическое влияние на спектр излучения лазера и амплитуды отдельных мод резонатора;

- метод достаточно прямолинеен и не позволяет в полной мере использовать другие более прогрессивные методы кодирования, основанные на модуляции амплитуды и фазы, используемые в специальных модуляторах;

-метод не удобен для систем WDM, где несколько источников модулирующих сигналов мультиплексируются для передачи по одной несущей.

1.2.2 Модуляция оптического излучения с использованием внешнего модулятора

Использование специального или внешнего модулятора, как правило, улучшает функциональные характеристики систем передачи и гибкость системы в целом, например, при необходимости позволяет менять формат используемой линейно кодовой последовательности (ЛКП), а также позволяет использовать готовые решения, наработанные в других областях и для других применений, включая комплексные решения с использованием промежуточной несущей.

Модуляция с использованием промежуточной несущей [6]

Вместо использования непосредственной модуляции, для которой трудно найти электронные компоненты, учитывая высокую частоту оптической несущей (порядка 100 ТГц), можно осуществить процесс модуляции на более низких частотах, используя промежуточную несущую, или поднесущую, на радиочастоте в диапазоне 10 МГц -10 ГГц.

Модулированной поднесущей можно затем модулировать основную несущую. Основное отличие этой схемы модуляции в том, что могут быть использованы различные стандартные методы и устройства модуляции: амплитудные, частотные, фазовые и комбинированные, разработанные для конкретного диапазона радиочастот.

Рис. 1.8. Модуляция с использованием промежуточной несущей [5]

Использование поднесущей необходимо и при многоканальной модуляции в системах WDM. В этом случае отдельные входные потоки модулируют свои поднесущие, которые затем мультиплексируются в одну поднесущую, модулирующую оптическую несущую. Схема использования промежуточной несущей показана на рис. 1.8 (в качестве примера показана амплитудная модуляция тока возбуждения лазера).

Модуляция с использованием поднесущей и модулятора

Эта схема модуляции является комбинацией предыдущих методов. Она может быть применена для использования готовых решений одноканальных модуляторов в схемах WDM. При этом возможно сочетание положительных особенностей обоих методов.

1.2.3 Форматы линейных кодов

Для передачи данных по оптическому волокну цифровые данные должны быть конвертированы в линейный код, имеющий формат, удобный для передачи по ОВ [7]. Им может быть, например, униполярный вариант линейных кодов NRZ или RZ, который сводится к посылке короткого импульса (включению оптического источника на короткий период меньший половины длительности двоичного интервала) в середине этого интервала (на срезе импульса RZ) при наличии " 1" в цифровой последовательности или к выключению оптического источника в отсутствие "1" (при наличии "0 в этой последовательности, см. рис. 1.9). Такой метод кодирования называется модуляцией/манипуляцией по типу "включено-выключено "- МВВ (или ООК - On-Off Keying).

Рис. 1.9. Пример базовых линейных кодов, используемых для оптической передачи

Из теории известно основное преимущество метода NRZ - примерно вдвое меньшая полоса частот, занимаемая модулированной последовательностью по сравнению с методом RZ. Однако при наличии в исходном коде длинных последовательностей "1" или "0” существенно изменяется постоянная составляющая последовательности, ухудшающая условия ее приема. Кроме того, ухудшаются условия восстановления сигнала синхронизации.

При использовании RZ проблема восстановления синхронизации, как правило, не возникает, а проблемы изменения постоянной составляющей возникают только при длинных последовательностях "0". Эти проблемы решаются либо использованием специальных кодов, например, оптического варианта известного кода HDB3, либо использованием техники скремблирования.

Скремблирование - процесс более простого преобразования (как правило, не изменяющего полосу частот), основанного на технике шифрования данных с взаимно однозначным соответствием исходной и скремблированной последовательности, использующего простые и однотипные побитные операции (например, сложение по модулю между исходной и эталонной последовательностью (порождающим многочленом).

Другой вариант - использовать специальные коды, предмет кропотливой оригинальной разработки, которые могут иметь различную полосу частот и достаточно сложные схемы кодирования /декодирования, реализуемые при оптимизации определенных параметров.

Учитывая, что длительность двоичного интервала при использовании современных скоростей синхронной иерархии 2,5 - 40 Мбит/с мала (400 - 25 пс), длительность импульса источника не должна превышать 0,2-0,05 нс (200-12,5 пс), что делает невозможным, например, использование светодиодов в качестве источников оптического излучения в таких системах. Поэтому основными источниками должны быть лазерные диоды.

1.3 Физические основы оптических модуляторов

Наибольшее применение в модуляционных устройствах когерентной оптоэлектроники нашли электрооптические и акустооптические эффекты и магнитооптический эффект Фарадея, а также различные фотоэффекты.

Электрооптические эффекты характеризуются возникновением оптической анизотропии (неравномерности) в веществе под воздействием внешнего электрического поля, в результате чего изменяется показатель преломления вещества. Появление оптической анизотропии -- следствие -изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля [8,9].

Электрооптические эффекты сопровождаются обычно явлением двойного лучепреломления, т. е. расщеплением проходящего света на два луча. Эти лучи (называемые обыкновенным и необыкновенным) распространяются с различными скоростями и по-разному поляризованы. Если в таких кристаллах выделить два взаимно-перпендикулярных направления х, у, то показатели преломления света вдоль каждого из этих направлений будут, вообще говоря, различными. Обозначим показатели преломления по каждой из осей n_x,n_y.Тогда кристаллы, в которых показатели преломления по каждой из осей различны (n_x?n_y),будем называть двухосными. Кристаллы, в которых направления х и у оказываются оптически однородными, т. е. n_x?n_y=n₀, называются одноосными. Для одноосных кристаллов показатель преломления для обыкновенной волны равен n_Q=n_x=n_y,а для необыкновенной волны n_e = n_z.

При распространении луча вдоль оси z в одноосном кристалле скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кристаллу прикладывается электрическое поле, то равенство n_x и n_y нарушается и кристалл становится двуосным. При этом скорости распространения световых волн, поляризованных по осям х и у, также начинают различаться.

Показатель преломления для обыкновенной волны по оси z изменяется линейно с напряженностью электрического поля:

, (1.12)

где г_п -- электрооптическая постоянная Поккельса; Е -- напряжённость электрического поля; n₀ -- показатель преломления в отсутствие поля.

Это изменение показателя преломления, пропорциональное напряженности электрического поля, и составляет суть эффекта Покксельса, называемого линейным электрооптическим эффектом. Под влиянием внешнего поля одноосный исходный кристалл приобретает свойства двухосного, становится оптически анизотропным вследствие изменения коэффициента преломления. При прохождении световой волной некоторого пути / в таком кристалле возникает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами:

. (1.13)

По мере проникновения излучения вглубь кристалла изменяется разность фаз между сигналами с различной поляризацией. В результате поляризация выходных и входных сигналов оказывается различной. И зависимости от длины пути в кристалле и, соответственно, получившейся разности фаз ?ц_ое поляризация выходного сигнала будет изменяться так, как это показано в табл. 1.

В соответствии с взаимной ориентацией направлений распространения луча z и напряженности электрического поля Е выделяют продольный (z||E) и поперечный (zE) эффекты Поккельса.

Таблица 1.1

Зависимость поляризации выходного луча от сдвига фаз обыкновенного и необыкновенного лучей

Находит применение, в оптоэлектронике и электрооптический эффект Керра. Здесь зависимость показателя преломления от напряженности электрического поля описывается соотношением



(1.14)

где r_к - электрооптическая постоянная Керра.

Возникающий сдвиг фаз между оптическими сигналами до приложения поля и после описывается выражением

(1.15)

где r_k -- постоянная Керра; она зависит от природы вещества, температуры и длины волны сигнала; l -- длина пути, проходимого сигналом; Е -- напряженность электрического поля.

Выражение (1.13) показывает, что эффект Керра характеризуется квадратичной зависимостью фазового сдвига от напряженности поля. Поэтому его называют квадратичным электрооптическим эффектом.

Акустооптический эффект -- это явления дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разным показателем преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Периодическое чередование неоднородностей среды «работает» как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча, Акустооптические эффекты бывают двух видов. При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта (длине взаимодействия) ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана-Ната. А если частота ультразвука высока и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга. Конкретно, если длина ультразвуковой волны в среде Л, длина взаимодействия L, длина световой волны л, коэффициент преломления среды n и при этом

2рлL/(nЛ2) <1, (1.16)



то наблюдается дифракция Рамана-Ната [7]. Возникает несколько дифракционных максимумов, причем дифракционный угол максимален, когда первоначальное направление светового луча параллельно плоскости ультразвуковой волны. В этом случае дифракционный угол и_m для максимума порядка m равен arcsin (mл/Л). Кроме дифракции наблюдается доплеровское смещение частоты, равное m?, где ? -- частота ультразвука.

Если же соотношение параметров

2рлL/(nЛ2)?4р, (1.17)

то это дифракция Брэгга. В этом случае отражается только луч света, составляющий характерный угол и с фронтом ультразвуковой волны. Таким образом, свет может отклониться лишь на угол 2и от первоначального направления. Этот угол -- угол Брэгга -- находится из соотношения

sin и = л/(2Л). (1.18)

При дифракции Брэгга коэффициент отражения отклонившегося луча близок к 100 %, что существенно для практического использования. В эксперименте (L = 1 см, видимая область) при частотах ультразвука выше 20 МГц в жидкостях и выше 100 МГц в твердых телах наблюдается почти полная брэгговская дифракция.

Магнитооптический эффект -- это изменение некоторых оптических параметров вещества под действием магнитного поля [7].

Магнитооптический эффект Фарадея может быть объяснен различием в скоростях распространения оптических волн разной поляризации. Предположим, что линейно поляризованная монохроматическая световая волна падает на вещество, помещенное в постоянное магнитное поле с индукцией В; направление распространения волны совпадает с направлением поля. Известно, что линейно поляризованная волна может быть представлена в виде суммы двух волн разной поляризации. Магнитное поле делает различными показатели преломления для этих волн (n₁, n₂ соответственно). В результате после прохождения пути l в веществе возникает разность фаз этих волн, равная:

, (1.19)

где разность n₁ -n₂ пропорциональна магнитной индукции.

Среди фотоэффектов, приводящих к изменению оптических параметров вещества, можно выделить фотохромный, фотокристаллический, а также эффект фотопроводимости.

Фотохромный эффект заключается в изменении окраски или прозрачности вещества (неорганических стекол со специальными примесями, органических полимеров) под действием светового потока коротковолнового диапазона (ультрафиолетовое или коротковолновое видимое излучение). Для возвращения вещества в прежнее состояние требуется нагрев или воздействие светового потока с длиной волны ИК-диапазона.

Фотокристаллический эффект наблюдают, например, в аморфных полупроводниках. Под действием света высокой интенсивности происходит кристаллизация вещества и, соответственно, изменение коэффициента преломления.

Эффект фотопроводимости, который заключается в изменении проводимости полупроводника под действием потока излучения также сказывается на оптических параметрах вещества, в частности на показателе преломления, что позволяет использовать этот эффект для модуляции излучения.



1.4 Типы оптических модуляторов и их основные параметры

Оптические модуляторы как устройства могут быть основаны на различных физических явлениях и использовать различные механизмы и методы воздействия на оптическую частоту или радиочастоту.

Различают следующие типы модуляторов:

акустооптические модуляторы, использующие явления акустооптики,

электрооптические модуляторы, использующие явления электрооптики,

магнитооптические модуляторы, использующие явления магнитооптики,

электрооптические модуляторы, использующие полупроводниковые структуры.

Важнейшими характеристиками оптических модуляторов являются:

а) глубина модуляции:

з = (I_max - I_min)/ I_max , (1.20)

где I_max и I_min - интенсивности света при полностью открытом и закрытом состоянии модулятора;

б) ширина полосы пропускания или диапазон модулирующих частот Дн, которые определяются как разность между верхней и нижней частотами, при которых глубина модуляции уменьшается на 50% от максимального значения; полоса частот Дн определяет предельный объем информации, который можно передать с помощью данного модулятора;

в) рабочая апертура - тот угол, измеряемый в градусах или стерадианах, в пределах которого оптическое излучение может быть введено в модулятор;

г) спектральная область - область длин волн, в которой модулятор способен работать;

д) рабочее напряжение или напряжение полуволнового смещения - те величины сигнала, которые необходимо подать на вход модулятора, чтобы перевести его из «открытого» состояния в «закрытое»;

е) потери, вносимые модулятором, выражаемые, как правило, в децибелах:

в = 10lgI₀ /I_max (1.21)

где I₀ - интенсивность света в отсутствие модулятора, I_max - интенсивность света, прошедшего через модулятор в открытом состоянии;

ж) потребляемая мощность на единицу ширины полосы пропускания модулятора P/Дf, выражаемая обычно в Вт/ГГц.

1.5 Постановка задачи диссертационной работы

Как следует из выше поведенного рассмотрения, модуляция оптической несущей является важным и неотъемлемым процессом в функционировании ВОСП и существует несколько методов его реализации:

- прямая (непосредственная) модуляция оптической несущей;

- внутренняя модуляция оптической несущей;

- внешняя модуляция оптической несущей.

Метод прямой (непосредственной) модуляции осуществляется с использованием электронных устройств, управляющих электронными и электрооптическими процессами, протекающими в источниках излучения передающего модуля ВОСП - в светоизлучающих диодах и лазерных диодах.

Внешняя модуляция оптической несущей реализуется специальными устройствами, предназначенными для этих целей - оптическими модуляторами, принцип действия которых основан на взаимодействии оптического излучения с веществами, находящимися соответственно под действием электрического, акустического и магнитного полей.

В связи с вышеизложенным исследование методов модуляции оптического излучения, особенностей прямой (непосредственной), внутренней и внешней его модуляции и сравнительный анализ оптических модуляторов, функционирующих на основе различных эффектов представляет собой одну из актуальных задач.

Исходя из этого данная магистерская диссертационная работа на тему «Исследование методов модуляции в оптических системах передачи» посвящена решению следующих задач:

- системному рассмотрению вопросов, связанных с модуляцией оптической несущей и обзор литературных данных по этим вопросам;

- анализу особенностей электрооптических, акустооптических, магнитооптических и др. эффектов, составляющих физическую основу оптических модуляторов, применяемых в ВОСП;

- исследованию принципов построения и особенностей функционирования электронных устройств прямой (непосредственной) модуляции мощности оптического излучения;

- разработке математической модели процесса модуляции мощности оптического излучения электронным устройством прямой (непосредственной) модуляции;

- исследованию особенностей функционирования акустооптических, электрооптических, магнитооптических оптических модуляторов;

- сравнительной характеристике оптических модуляторов с точки зрения их применения в ВОСП;

- разработке электронной версии магистерской диссертации.

Выводы по первой главе диссертации

1. Проанализированы принципы построения и особенности функционирования ВОСП.

2. Проведен обзор литературы по вопросам модуляции оптической несущей в ВОСП. Проанализированы особенности реализации процессов прямой (непосредственной) и внешней модуляции потока оптического излучения.

3. Проанализированы механизмы протекания электрооптических, акустооптических, магнитооптических и др. явлений, составляющих физическую основу оптических модуляторов.

4. Сформулированы цели и задачи магистерской диссертации.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ПРЯМОЙ (НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ) МОДУЛЯЦИИ МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

Возможность прямой модуляции оптического излучения источников излучения - лазерных диодов и светоизлучающих диодов с помощью соответствующих электронных устройств как уже отмечено, основана на том, что электронные процессы и процессы электронно-оптического преобразования в них протекают с высоким быстродействием (10^-9 -10^-10 с и 10^-7ч10^-8с соответственно), что позволяет эффективно модулировать их под действием информационных сигналов. Ниже остановимся на некоторых схемных реализациях и особенностях функционирования таких устройств.

2.1 Схемная реализация и принцип работы модулятора мощности источника излучения с прямой (непосредственной) модуляцией аналоговым сигналом

Рассмотрим некоторые варианты схемотехнических решений модуляторов мощности излучения с непосредственной модуляцией аналоговым сигналом, один из которых приведен на рис. 2.1.

Ток проводимости источника излучения в этой схеме как видно, фиксирован по коллекторной цепи. В ней предусмотрена возможность изменения (модуляции) мощности излучения сигналами напряжения, поступающими на базу транзистора.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Делитель напряжения, состоящий из источника э.д.с. Е_п и последовательно соединенных резисторов R1 и R2 обеспечивает эмиттерный переход биполярного транзистора VT с определенным значением напряжения U_бэ._.

Семейство выходных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером управляемого этим напряжением I_k(U_k)/ U_бэ =const имеет в этом случае вид, изображенный на рис 2.2.

Как следует из рисунка, соответствующие активному режиму участки ВАХ транзистора в этом случае практически параллельны оси напряжения U_KЭ.

В силу этого, значения токов, соответствующие точкам пересечения выходных характеристик с ВАХ излучателя света (светодиода, лазерного диода), играющего роль нелинейного нагрузочного сопротивления, практически неизменны (и не зависят от температурных или временных дрейфов излучателя света), обеспечивая постоянную составляющую тока (тока смещения) через излучатель света.

При подаче на вход через конденсатор С1 сигнала напряжения, например, синусоидального напряжения.

U_вх(t)=U_вх,m sin t, (2.1)

где U_{вх m} и - амплитуда и частота входного напряжения, при условии

X_c1<<R_ltR₂ , (2.2)

где Xc1=1/С₁ - емкостное сопротивление конденсатора С₁, на эмиттерном переходе возникает напряжение, изменяющееся по тому же закону, что и в (2.1). В результате по коллекторной цепи транзистора и следовательно, через излучатель света течет ток модулированный по тому же закону (с некоторым сдвигом фазы, обусловленным RC цепочки коллекторного перехода), что приводит к модуляции мощности излучения светодиода или лазерного диода (см. рис. 2.3.в). Высокоомный токозадающий резистор R3, шунтированный конденсатором С₂ значительной ёмкости (рис.2.1) не влияет на эффективность модуляции светового потока.

В линейных оптоэлектронных преобразователях, в частности, важно обеспечить эффективную модуляцию светового потока, строго пропорциональную уровню входного модулирующего сигнала UBX (t).

В линейном модуляторе светового потока, построенном по схеме рис.2.4 входной транзистор VT1 действует в качестве эмиттерного повторителя, а генератором тока непосредственно возбуждающим светодиод, служит каскад на транзисторе VT2.

Рис. 2.4. Схема линейного модулятора мощности излучения с прямой модуляцией

Линейный модулятор, собранный по схеме на рис.2.3 описан в работе [8]. По экспериментальным данным, глубина модуляции света в таком устройстве составляет 80 % в диапазоне частот от 30 Гц до 250 кГц.

Модулятор мощности излучения с непосредственной связью может быт построен и на дифференциальном каскаде усилителей, изображенном на рис.2.5, принцип работы которого заключается в том, что рост напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT1 под действием напряжения входного сигнала приводит к синхронному уменьшению тока в коллекторной цепи транзистора VT2 и, наоборот, уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT1 в соответствии с изменением UBX(t) - к росту тока в коллекторной цепи транзистора VT2, что обеспечивает модуляцию тока протекающего через излучателя света, а следовательно, и мощности его излучения.

Рис. 2.5. Схема линейного модулятора мощности источника излучения на дифференциальном усилителе

На рис. 2.6 показан характер изменений постоянной составляющей токов в коллекторных цепях дифкаскада а соответствии с напряжением смещения на эмиттерном переходе транзистора VT1.

Подача на вход электрического сигнала U_вх(t) - приводит к последующей модуляции мощности излучения светодиода или лазерного диода в соответствии с этим сигналом (рис.2.7).

Достоинством рассмотренной выше схемы является высокая временная и температурная стабильность электрического режима излучателя света.

При хорошо симметрированных эмиттерных цепях транзисторов даже существенное изменение разности потенциалов на эмиттерных переходах (связанное, например, с большим повышением температуры) мало влияет на статические уровни эмиттерных токов. Стабилен и статический ток источника излучения, фиксированный в схеме, на уровне а (I_п/2), где а - коэффициент передачи эмиттерного тока транзисторов.

2.2 Математическая модель модуляторов мощности источника излучения с прямой (непосредственной) модуляцией аналоговым сигналом

Методику расчёта параметров электрического режима устройства непосредственной модуляции мощности источника излучения проиллюстрируем на примере такого устройства на биполярных транзисторных каскадах, приведенного на рис.2.8.

Рис. 2.8. Схема устройства модуляции мощности излучения светодиода (лазерного диода) на биполярных транзисторных каскадах

Как следует из рисунка, согласно первому правилу Кирхгоффа можно записать:

I₁-I_б2= I_э1, (2.3)

I₂+ I_б2 = I_э2, (2.4)

Из теории биполярных транзисторов известно, что токи через эмиттерные переходы транзисторов в активном режиме определяются соотношениями:

где, I_э1о и I_э2о - обратные токи экстракции через эмиттерный переход;

U_эб1 и U_эб2 - напряжения на эмиттерных переходах транзисторов VT1 и VT2;

А₁ и А₂ - коэффициенты, характеризующие неидеальности эмиттерных переходов, численное значение которых равно 1,5 2;

Т₁ и Т₂ - температуры тел транзисторов.

При напряжениях на эмиттерных переходах,

(2.7)

(2.8)

где kT₁/q и kT₂/q - температурные потенциалы величина которых при комнатной температуре 0,025В, выражения (2.5) и (2.6) могут быть записаны в упрощенном виде:



С учетом того, что устройство изготавливается в интегральном исполнении и как результат этого

I_э2о= I_э1о,

A₂=A_1, (2.11)

T₂ = T₁,

а также учитывая, что U_бэ2 =U_бэ1 (см. схему на рис.2.6.) имеем

I_э2=I_э1 (2.12)

Подставляя это выражения в уравнение (2.4) нетрудно получить, что

I₂=I₁-2I_б2 (2.13)

Поскольку ток базы биполярного транзистора в активном режиме L_б2 существенно (в раз, где - коэффициент передачи тока базы) меньше эмиттерного и коллекторного токов транзистора можно записать

...