Оптические системы передачи

Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

Кафедра многоканальной электросвязи и оптических систем.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По предмету: «Волоконно-Оптические Системы Передачи»

Новосибирск 2004 г.

1. Основы построения оптических систем передачи

Теоретические вопросы:

1.  Какие диапазоны длин волн применяются в системах передачи атмосферной и волоконно-оптической связи?

Ответ: Наибольшее применение для оптической связи имеет диапазон, который называется ближней инфракрасной зоной (λ=1,6 - 0,8 мкм; f=). Его использование обусловлено двумя факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещённой зоны ряда п\проводников; этот диапазон отличается наибольшей прозрачностью в таких средах распространения волн как стекловолокно и воздушная атмосфера.

2.  Чем отличается распространение света в стекловолокне от распространения в атмосфере?

Ответ: Распространение света в атмосфере сопровождается 2-мя существенными для оптической линии связи процессами: флуктуациями принимаемого сигнала из-за рефракции излучения на турбулентных неоднородностях воздуха и аэрозольными рассеянием и поглощением на частицах дождя, тумана, снега, промышленных выбросах, пыли. Поглощение света в атмосфере зависит от содержания в ней водяных паров и углекислого газа вдоль пути распространения световой волны, концентрация которых зависит от влажности воздуха и высоты.

Распространение света в волоконных световодах связано с законами оптики (отражения, преломления) и обусловлено процессами образования мод, т.е. определёнными типами колебаний.

5. Какие материалы применяют для изготовления источников и приёмников оптического излучения?

Ответ: На изготовление излучателей идут прямозонные материалы. А для изготовления приёмников и волноводов оптического излучения применяют непрямозонные материалы.

В прямозонных материалах процессы переходов электронов проходят с минимальной задержкой и имеют высокую квантовую эффективность. В непрямозонных материалах эти процессы заторможены или вообще не происходят. Типичными прямозонными материалами являются GaAs, InAs, ZnS, GdS, а непрямозонными – Si, Ge, GaP, SiC. Эти материалы – полупроводники.

8. Что представляет собой линейный тракт ВОСП?

Ответ:

Оптический конвертор – выполняет главные функции в преобразовании электросигналов в оптические на передаче и оптических в электрические на приёме.

Оптический усилитель – может входить в состав линейного тракта, а может и не входить. Он позволяет увеличить мощность одноволнового или многоволнового сигнала на передающей стороне или повысить чувствительность приёмника.

Промежуточные станции – представлены различными устройствами, которые служат для регенерации, ретрансляции оптических сигналов.

Физическая среда – это может быть как атмосфера, так и оптический кабель.

9. Какие виды мультиплексирования применяются в оптических системах передачи?

Ответ: В оптических системах передачи основное применение получили цифровые мультиплексоры, т.к. образуемые ими групповые сигналы представлены в двоичном коде, который придаёт высокую помехоустойчивость передаваемой информации.

Широкое распространение получили цифровые мультиплексоры технологий:

·  PDH- плезиохронной цифровой иерархии;

·  SDH – синхронной цифровой иерархии;

·  ATM – асинхронный режим передачи.

Задача 1: Определить затухание, дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в ВОСП с длиной секции L=217 км., километрическим затуханием α=0,28 дБ/км на длине волны излучения передатчика , ширине спектра излучения . Хроматическая дисперсия D=3,5 пс/(нм х км).

Решение:

1.Определеним максимальное затухание секции длиной:

, дБ

где: α_с =0,05 дБ – потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля;

Ν_с – число стыков, определяемое как

Ν_с = e[L / l_c – 1]= ,

l_с =2 км.

Таким образом:  дБ

2.Определяем результирующую совокупную дисперсию секции:

, с

Подставляя числовые значения, получим:

 с

3.Определим полосу пропускания оптической линии:

, Гц

Подставим значения:

 Гц

4.Определение максимальной скорости передачи двоичных импульсов через оптическую линию:

Она зависит от формы импульсов и определяется из соотношения:

, бит/с

, бит/с

2. Источники оптического излучения для систем передачи

Теоретические вопросы:

1.  Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?

Ответ: 1. Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения.

2.  Узкая спектральная полоса излучения.

3.  Направленность излучения.

4.  Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения.

5.  Совместимость с приёмниками излучения и физическими средами передачи.

6.  Когерентность излучения.

7.  Миниатюрность и жёсткость исполнения.

8.  Высокая технологичность и низкая стоимость.

9.  Длительный срок службы (не менее  часов).

10.  Высокая устойчивость к перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным).

1.  Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?

Ответ: Чаще всего в оптических передатчиках систем связи применяют две конструкции лазеров: многомодовый лазерный диод полосковой геометрии с резонатором Фабри-Перо (Ф-П) и лазер с распределённой обратной связью (РОС или DFB) одномодовый.

электрод

Конструкция

полоскового р+ GaAs

лазераp+ AlGaAs (оболочка)

p+ GaAs (активный слой)

 n+ AlGaAs (оболочка)

n+ GaAs (подложка)

электрод зеркало Ф-П

Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создаётся волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нём с помощью источника электротока создаётся инверсная населённость. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

электрод

p+ InGaAsP

p+ InP

p InGaAsP (активный)

n+ InGaAsP

n+ InP (подложка)

электрод

Структура лазера РОС.

2.  Что представляет собой резонатор Фабри-Перо и какие он имеет характеристики?

Ответ: Резонатор лазера для оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нём сохранялось небольшое число мод, а остальные моды гасились. Примером такого резонатора открытого типа является резонатор Фабри-Перо:

у

зеркало

z

оптическая ось резонатора

длина резонатора

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Условие образования стоячих волн:

m=1, 2, 3…- число полуволн.

Открытый резонатор способствует разряжению мод по сравнению с объёмным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.

Важной характеристикой резонатора является его добротность:

где R – коэффициент отражения зеркала.

6. Каким образом в лазерах достигается одномодовый режим генерации?

Ответ: В отличии от лазеров Ф-П в лазерах РОС положительная обратная связь, необходимая для генерации лазерного излучения, создаётся не за счёт зеркал, а образуется внутри самого лазера. Такая связь возникает благодаря распределённой структуре «гофр». Это граница между резонатором и другим диэлектрическим слоем. Резонатор образован между подложкой

n+ InP p+ InGaAsP.

Гофр представляет собой фазовую решётку (оптический фильтр) с очень высокой разрешающей способностью. Внутри резонатора могут сохраниться только лучи, отражающиеся от гофра под углом

Q+п/2.

9. Каким образом формируется и направляется излучение в атмосферных системах передачи?

Ответ: В атмосферных оптических системах связи основная сложность состоит в изменчивости атмосферной прозрачности и рефракции оптического луча. Т.о., осуществить строгую фокусировку луча от передатчика к приёмнику не представляется возможным. Для того, чтобы получить максимальную мощность в приёмном устройстве, необходимо учесть не только направленные свойства источника излучения, но и апертуру приёмника, дифракционные искажения при выводе излучения в атмосферу, рефракцию и поглощение в атмосфере и согласующих устройствах.

В плоскости приёмной апертуры должно формироваться изображение излучаемой мощности от передатчика. Для этого используется система расширения светового коллимированного пучка. Это уменьшает расходимость, обусловленную дифракцией света.

Благодаря расширителю пучка получены угловые расходимости лазерного излучения в пределах 0,5-3 мрад при мощности передатчика от 10 до 45 мВт и дальности передачи от 0,5 до 5 км.

Расширитель пучка.

Задача 2:

Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри-Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).

Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн Δλ при длине резонаторa L и показателе преломления активного слоя n.

Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде λ₀ при коэффициенте отражения R.

Изобразить конструкцию полоскового лазера FP. Изобразить модовый спектр.

Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Изобразить конструкцию лазера DFB.

Дано:

Параметр лазера FP	L, мкм	, нм	n	, мкм	R
	360	40	3.9	0,42	0,3
Параметр лазера DFB	Длина лазера L, мкм	Порядок решётки m	Шаг решётки D, мкм	Показатель преломления
	550	4	0,2	3,57

Решение:

Определим частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде λ₀ :

Частота моды определяется из соотношения:

f₀ = с / λ₀

где: м/с – скорость света.

Гц;

Определим

f_m+1 ; f_m-1 из λ_max и λ_min.

;

Тогда:

;

Частотный интервал между модами  равен:

;

Добротность резонатора на центральной моде λ₀ определяется из соотношения:

;

число мод определяется:

;

Определим частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Для определения длины волны и частоты генерации одномодового лазера DFB существует соотношение:

;

м;

;

Частота, на которой возникает генерация:

;

3.  Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона

Вопросы:

1.  Что такое модуляция?

Ответ: Сигналы, поступающие от источников сообщений, как правило не могут быть непосредственно переданы по каналу радиодиапазона или оптического диапазона частот. Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде, необходимо перенести спектр сигналов из низкочастотной области в область высоких частот. Такая процедура переноса спектра из низких частот в область высоких частот называется модуляцией.

2.  В чём состоит принципиальное отличие прямой и внешней модуляций оптического излучения?

Ответ: Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации) при прохождении светового луча через какую-либо среду.

Прямая модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения. Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристики активного слоя (тока накачки, объёма резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения или оптической частоты, или импульсную модуляцию.

4. Почему полоса частот при прямой модуляции ограничена?

Ответ: Прямая модуляция отличается относительной простотой и реализуемостью в интегральных схемах, что труднодостижимо для внешней модуляции. Однако, применение прямой модуляции имеет частотный предел около 5 ГГц. Это обусловлено конечным временем жизни носителей зарядов и фотонов в средах преобразования.

5. Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции?

Ответ: При модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, однако при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра.

7. Какие виды внешней модуляции оптического излучения применяются в системах передач?

Ответ: Электрооптическая модуляция – может происходить на основе линейного (эффект Поккельса) и нелинейного (эффект Керра) изменения коэффициента преломления физической среды. Линейная модуляция света может происходить в кристаллах LiNbO3 и ряда других. Нелинейная модуляция может происходить в глицерине, сероуглероде.

Электроабсорбционная модуляция - в данном виде модуляции используется эффект Франца- Келдыша. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводнике смещается в длинноволновую область оптического излучения.

Акустооптическая модуляция – основу составляет акустооптический эффект. Это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Для изготовления акустооптических модуляторов используют кристаллы TeO2.

Задача 3:

Построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электротока, протекающего через него. Для заданных тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов определить графически изменение выходной модуляционной модуляционной мощности и определить глубину модуляции. По построенной характеристике указать вид источника.

Решение:

Таблица для построения зависимости:

I, ma	0	5	10	15	18	20	22	24	26	28
РI, мкВт	0	15	30	45	60	90	160	230	310	370

Дано:

Ток смещения I=19 мА; Амплитуда тока модуляции Im=9 мА.

Зависимость представлена на рис.1.

Для определения глубины модуляции воспользуемся соотношением:

;

где Imax=28 мА;

Imin=10 мА.

;

Исходя из графика зависимости определим изменение выходной мощности:

Pmax=370 мкВт; Pmin=30 мкВт.

По построенной характеристики видно, что это лазерный источник излучения.

Рис.1 Зависимость выходной мощности излучения от вел-ны электротока.

4. Фотоприёмники для оптических систем передачи

Вопросы:

1. Какие требования предъявляются к фотоприёмникам оптических систем передачи?

Ответ: К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

·  Высокая чувствительность;

·  Требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

·  Низкий уровень шумов;

·  Требуемое быстродействие;

·  Длительный срок службы;

·  Использование в интегральных схемах.

5. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?

Ответ: На представленной спектральной характеристике фотодиода:

S, А/Вт

1

0,707

 

Завал характеристики на длинных волнах (низкие частоты) объясняется резким уменьшением фототока выше , завал на коротких волнах объясняется шунтирующим действием ёмкости запертого p-n перехода эквивалентной схемы фотодиода.

6. Почему у фотодетекторов есть длинноволновая граница чувствительности?

Ответ: Как видно из данной формулы:

 

величина фототока при заданных  и  определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны

называемой длинноволновой границей чувствительности.

7. Чем отличается конструкция лавинного фотодиода от конструкции диода p-i-n?

Ответ: Фотодиоды p-i-n содержат легированные p и n области, между которыми находится достаточно широкая i-область (полупроводник с собственной проводимостью):

- +

Лавинные фотодиоды по своей структуре отличаются от p-i-n фотодиодов тем, что кроме легированной n и p областей содержит слаболегированные n и p области.

- +

11.  Почему фотодиоды шумят?

Ответ: Шумы фотодиода подразделяются на шумы фототока и шумы темнового тока.

·  Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

·  Шум фототока обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар.

Задача №4:

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения. Используя график определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Дано:

Чувствительность, А/Вт	0,3	0,45	0,53	0,58	0,62	0,67	0,7	0,73	0,65	0,1
Длина волны, мкм	0,85	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,78

Мощность излучения Pu=5 мкВт; Длина волны ;

Решение:

Построим зависимость:

Определим величину фототока из соотношения:

;

где S=0.712А/Вт – чувствительность, определённая графически.

;

Определим графически длинноволновую границу чувствительности:

;

Определим материал для изготовления прибора исходя из соотношения:

;

Делаем заключение, что для изготовления данного прибора используется германий.