ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ» ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ, ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММА ПОВЫШЕНИЯ КВАЛИФИКАЦИИ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА 1.Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) 2.Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) 3.Активные устройства оптического тракта 4.Пассивные устройства оптического тракта Отводимое время курсаЧасов ВСЕГО (часов)52

ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) Принципы построения, структура, конструктивное исполнение; Система параметров для цифровых и аналоговых ВОСП; Примеры принципиальных схем современных ПОМ; Расчет основных характеристик; Методы измерения основных параметров; Особенности построения и анализа ПОМ для передачи сверхскоростных цифровых сигналов, сверхвысокочастотных аналоговых сигналов и многоволновых сигналов со спектральным разделением каналов; Примеры современной продукции лучших мировых производителей и перспективных разработок. Передающие оптоэлектронные модули |3|проф. Белкин М.Е.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОМ Традиционно в качестве задающего генератора используется лазерный или светодиодный излучатель, в качестве усилителя высокой частоты – лазерный либо волоконный усилитель. малое ослабление волоконно-оптического тракта в 95% случаев позволяет обходиться без выходного усилителя Передающие оптоэлектронные модули |4|проф. Белкин М.Е.

МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ В ПОМ 3 системы модуляции света: Прямая; Внешняя; Внутренняя. СистемаСпособ модуляцииИспользуемый физический эффект ВнутренняяЭлектрооптический Эффекты Поккельса, Керра Внешняя МагнитооптическийЭффекты Фарадея, магнитного смещения АкустооптическийДифракция Рамана, Брэгга Другой Эффект Франца-Келдыша, поглощение свободных носителей, резонансное поглощение Прямая Модуляция интенсивности (частоты, фазы) излучения Управление током накачки Более чем в 95% случаев в современных системах применяется система прямой модуляции Передающие оптоэлектронные модули |5|проф. Белкин М.Е.

ПРЯМАЯ МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ Варианты прямой (непосредственной) модуляции лазера аналоговым и цифровым сигналами. Аналоговый сигналЦифровой сигнал Передающие оптоэлектронные модули |6|проф. Белкин М.Е.

Время задержки включения: зmin – минимальное время задержки; э – время жизни носителей до рекомбинации; I max – амплитуда импульса тока накачки; I пор – значение порогового тока лазера. Для уменьшения времени задержки в передатчиках цифровых ВОСП используется дополнительное смещение постоянным током I см : ЗАДЕРЖКА ВКЛЮЧЕНИЯ ЛАЗЕРА Передающие оптоэлектронные модули |7|проф. Белкин М.Е.

УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГО МОДУЛЯ Лазерный модуль передатчика цифровой ВОСП располагается в герметичном корпусе и помимо лазерного диода обычно содержит: контрольный фотодиод, служащий датчиком схемы стабилизации мощности лазера; терморезистор, служащий датчиком схемы стабилизации температуры лазера; термоэлектронный микроохладитель на эффекте Пельтье, являющийся исполнительным элементом схемы термостабилизации. СтруктураКонструкция Передающие оптоэлектронные модули |8|проф. Белкин М.Е.

ВВОД ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ По технологическим соображениям для ввода излучения в волокно при производстве лазерных модулей используется самый простой способ с помощью одной микролинзы. Для повышения эффективности ввода конец волокна оплавляется в виде полусферы. Для обеспечения эффективность ввода в одномодовый световод порядка 30%, смещение в поперечном направлении не должно превышать 0,7мкм. Реально эффективность ввода излучения в одномодовый световод получается 20-25%, тогда как при стыковке с помощью двух микролинз – 40…50%. Передающие оптоэлектронные модули |9|проф. Белкин М.Е.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ПОМ Передающие оптоэлектронные модули |10|проф. Белкин М.Е.

ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ Параллельная схема лазерного драйвера. Схема лазерного драйвера со стабилизацией мощности излучения по цепи обратной связи. Вариант схемы лазерного драйвера с независимой регулировкой амплитуды импульса и тока смещения. Передающие оптоэлектронные модули |11|проф. Белкин М.Е.

ТРЕБОВАНИЯ К МОЩНОСТИ ПОМ Интервальная характеристика – Аналоговой ВОСП - АВОСП – Цифровой ВОСП – ЦВОСП Передающие оптоэлектронные модули |12|проф. Белкин М.Е.

МОДУЛЯЦИЯ ПОМ АВОСП В аналоговых ВОСП глубина модуляции является критическим параметром, от нее зависят отношение сигнал/шум, нелинейные искажения и, в конечном итоге, протяженность линии передачи и пропускная способность системы. Для уменьшения нелинейных искажений рабочая точка I o должна выбираться в середине линейного участка ватт-амперной характеристики. Для минимизации нелинейных искажений передаваемого сигнала минимальный ток модуляции лазера I min должен превышать его пороговый ток I пор, что приводит к существенному уменьшению глубины модуляции. Глубина модуляции Передающие оптоэлектронные модули |13|проф. Белкин М.Е.

КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ - важный параметр системы связи, напрямую связанный с ее пропускной способностью. Полоса пропускания элементной базы ВОСП может достигать единиц ГГц. При прямой модуляции оптического излучения аналоговым информационным сигналом коэффициент использования получается на уровне десятых долей процента. Для повышения коэффициента использования полосы применяют частотное разделение каналов (ЧРК): по одному волокну передается большое число информационных каналов, каждый на своей поднесущей. В передатчике многоканальной аналоговой ВОСП модуляция осуществляется в два этапа: информационные сигналы модулируют по амплитуде, частоте, фазе каждый свою поднесущую; поднесущие суммируются и комплексный радиосигнал модулирует по интенсивности оптическое излучение. При этом глубина модуляции на один канал m i должна уменьшаться и обычно определяется как:, где N – число передаваемых каналов. Передающие оптоэлектронные модули |14|проф. Белкин М.Е.

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ ПОМ Основным источником которых считается нелинейность ватт-амперной характеристики лазерного диода. Нелинейность при передаче многоканального сигнала с частотным разделение каналов оценивается в терминах коэффициентов интермодуляционных искажений второго (ИМИ2) и третьего порядков (ИМИ3). Метод расчета. Ряд Тейлора ватт-амперной характеристики лазера: Выходной ток Считая, что мощность полезного оптического сигнала, модулированного поднесущей i– го канала, ΔРе i = I i (dP e /dI) и глубина модуляции на канал m i = I i (dP e /dI)/P e0 одинаковые для всех каналов, можно рассчитать коэффициенты ИМИ. А именно, ИМИ2, за счет взаимодействия поднесущих двух каналов с частотами i и j :, где Аналогично ИМИ3:, где Обычно величина глубины модуляции подбирается экспериментально коэффициентом интермодуляционных искажений на выходе фотоприемного устройства Передающие оптоэлектронные модули |15|проф. Белкин М.Е.

ШУМ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА В ПОМ АВОСП В аналоговой ВОСП необходимо учитывать относительный шум интенсивности лазерного излучения (RIN). Источником RIN является спонтанное излучение лазера: где Р е0 – средняя мощность излучения; δР е – мощность шума оптического излучения. Источник оптической обратной связи Расстояние между лазером и точкой отражения Характеристика Элемент стыковки лазерного модуля с волоконным световодом ~ 10 см Низкочастотный шум. Сильная зависимость шумового спектра от условий отражения Обратное рэлеевское рассеяние– почти равномерный по времени спектр Сосредоточенный элемент оптического тракта ~ 10 см – 100 м Периодические шумовые пики примерно на частотах f n ~ kc/(2nl p ), где kϵN, с – скорость света, n – показатель преломления волокна, l p – расстояние ~ 100 м – 10 км Шум с почти равномерным спектром вплоть до дециметрового диапазона волн Величина отражения FPR оценивается с помощью простой формулы:, дБ где N 1 – коэффициент ввода лазерного излучения в световод; А – погонные потери в волоконно-оптическом тракте, 1/км; – длина волоконно-оптического тракта, км; Г о – модуль оптического коэффициента отражения: Универсальной мерой устранение отражений является использование оптического изолятора Передающие оптоэлектронные модули |16|проф. Белкин М.Е.

ОСОБЕННОСТИ АНАЛОГОВЫХ ПОМ Источник отраженияРасстояние до лазера Уровень отражения, дБ Призменный поляризатор непросветленный просветленный до уровня 0,5% просветленный до уровня 0,1% ~ 1 см -12, Микролинза стыковки непросветленная просветленная до уровня 0,1% ~ 5 см Торец световода ~ 1 – 5 см-17,3 Оптический разъем ~ 1 м-20 Фотодиод ~ 1 км-16 Специфика в построении передающих оптоэлектронных модулей аналоговых ВОСП состоит в необходимости использования узлов электрического и оптического согласования. Вариант реализации узла электрического согласования Уровни отражения в системе при коэффициенте ввода N 1 = 0,5 Схема лазерного модуля типа 1612Р производства фирмы ORTEL, США Передающие оптоэлектронные модули |17|проф. Белкин М.Е.

СОСТАВ ПОМ АНАЛОГОВОЙ ВОСП Как и в цифровых ВОСП: узел термостатирования; узел стабилизации мощности. Для повышения линейности передатчика аналоговой ВОСП в лазерном драйвере применяют 3 способа коррекции нелинейных искажений: Введение предыскажений; Коррекция с обратной связью; Коррекция с прямой связью. Передающие оптоэлектронные модули |18|проф. Белкин М.Е.

ВВЕДЕНИЕ ПРЕДЫСКАЖЕНИЙ В передаваемый сигнал электронными методами вводят предыскажения, обратные тем, которые при модуляции должен внести оптический излучатель Предыскажения вносятся с помощью последовательных резистивно- диодных цепочек, количество которых определяется требуемым динамическим диапазоном линеаризации. Недостаток - практическая невозможность подстройки вносимых искажений в процессе эксплуатации передатчика Передающие оптоэлектронные модули |19|проф. Белкин М.Е.

КОРРЕКЦИЯ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Часть оптического излучения отводится при помощи оптического разветвителя и принимается дополнительным фотодиодом. Ток фотодиода усиливается и вычитается из модулирующего тока i. Результирующий ток i' управляет оптическим излучателем, получая таким образом отрицательную оптоэлектронную обратную связь. Можно получить существенное уменьшение второй и третьей гармоник, однако недостатком его является задержка в цепи обратной связи Передающие оптоэлектронные модули |20|проф. Белкин М.Е.

КОРРЕКЦИЯ С ПРЯМОЙ СВЯЗЬЮ Дает наилучшие результаты. Способ принципиально дает очень высокое (до 70 дБ) подавление второй гармоники передаваемого сигнала Для получения такого уровня подавления требуется использование основного и дополнительного источников излучения с идентичными характеристиками, что трудно реализовать в связи с технологическим разбросом. Передающие оптоэлектронные модули |21|проф. Белкин М.Е.

ПРИЕМНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МОДУЛИ Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) Принципы построения, структура, конструктивное исполнение; Система параметров для цифровых и аналоговых ВОСП; Примеры принципиальных схем современных ПРОМ; Расчет основных характеристик; Методы измерения основных параметров; Особенности построения и анализа ПРОМ для передачи сверхскоростных цифровых сигналов, сверхвысокочастотных аналоговых сигналов и многоволновых сигналов со спектральным разделением каналов; Примеры современной продукции лучших мировых производителей и перспективных разработок. Приемные оптоэлектронные модули |22|проф. Белкин М.Е.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПРОМ Обобщенная структурная схема ФПУ, пригодная как для цифровых, так и для аналоговых ВОСП Приемные оптоэлектронные модули |23|проф. Белкин М.Е. ФДМ – фотодиодный модуль. На входе приемника излучения используют фотодиод pin-структуры либо лавинного типа; Предварительный усилитель – для обеспечения максимального отношения сигнал/шум на выходе ФПУ; Главный усилитель – усиление сигнала, фильтрация с целью оптимизации отношения сигнал/шум и компенсации искажений, автоматическая регулировка уровня; Узел обработки – регенерация информационного сигнала.

ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВЫХ ПРОМ Простейшая структурная схема узла регенерации цифрового сигнала Приемные оптоэлектронные модули |24|проф. Белкин М.Е. Операция принятия решения усложняется из-за вносимых искажений. В основном искажения возникают по двум причинам: Из-за ограниченной полосы пропускания приемника либо линии связи форма принимаемого импульса отличается от прямоугольной. Наблюдаются «хвосты» импульса вне отведенного на его передачу промежутка времени (его тактового интервала) и наложение на соседние импульсы – так называемая межсимвольная помеха. На полезный сигнал накладывается напряжение паразитного случайного сигнала – шума, амплитуда которого может быть сравнима с порогом решающего устройства.

КОЭФФИЦИЕНТ ОШИБОК В цифровой связи качество восстановленного сообщения характеризуется коэффициентом ошибок: отношение числа ложных двоичных символов (бит) на выходе приемника к полному числу символов, принятому в течение большого промежутка времени. Приемные оптоэлектронные модули |25|проф. Белкин М.Е. Напряжение цифрового сигнала на входе решающего устройства – это случайная величина с гауссовским законом распределения и стандартным отклонением σ. Обозначим напряжение, соответствующее посылке, как b 1, а соответствующее паузе, как b о, дисперсию напряжения шума во время посылки – как, во время паузы -. Пусть порог решающего устройства равен D. Тогда, считая шум белым, гауссовским, определяем так называемую полную вероятность ошибки р ош = р(0) р(1/0) + р(1) р(0/1) где р(0) и р(1) – априорные вероятности появления соответственно паузы и посылки; р(1/0) – условная вероятность приема сигнала посылки при передаче сигнала паузы: вероятность ложной тревоги; р(0/1) – условная вероятность приема сигнала паузы при передаче сигнала посылки: вероятность пропуска посылки.

КОЭФФИЦИЕНТ ОШИБОК - 2 Приемные оптоэлектронные модули |26|проф. Белкин М.Е. b 0 = 0 σ 1 = σ 0 = σ р(1) = р(0) = 0,5 для Q > 3 Расчетная зависимость вероятности ошибки p ош от параметра Q Коэффициент ошибок является гораздо более чувствительным параметром, чем отношение сигнал/шум. В частности, из рисунка видно, что при изменении Q (или С/Ш) в два раза (на 6 дБ) вероятность ошибки меняется более, чем на 10 порядков, т.е. крутизна характеристики ошибки – примерно 0,6 дБ/порядок. Значение Q для цифровых систем стандартно задается как отношение амплитуды сигнала к действующему значению напряжения шума: Q = 0,5(С/Ш).

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ И ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФПУ ИДЕАЛЬНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Идеальное – нешумящее ФПУ с идеальным фотоэлектрическим преобразователем, в котором каждому поглощенному фотону достоверно соответствует появление во внешней электрической цепи одного электрона. Идеальное ФПУ обладает конечным временем наблюдения Т н, в течение которого происходит счет фотонов. Рассмотрим ограничения порога чувствительности, связанные с применением нешумящего счетчика фотонов. Приемные оптоэлектронные модули |27|проф. Белкин М.Е. – среднее число фотонов, в течение интервала Т н Излучение на входе, где Вероятность появления m фотонов за время Т н Закон Пуассона Среднее число образовавшихся фотоэлектронов Теоретическая нижняя граница мощности приема ФПУ (квантовый предел, КП):

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ И ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФПУ ИДЕАЛЬНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО - 2 Приемные оптоэлектронные модули |28|проф. Белкин М.Е. Если принять, что р ош = 0,5 р(0/1) Необходимое число фотонов Если при посылке «0» излучения нет В = 1/Т Порог чувствительности при передаче посылки:

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ И ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФПУ РЕАЛЬНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО В реальном ФПУ минимальное значение средней входной мощности зависит от эффективности оптоэлектрического преобразования, коэффициента передачи фотодиодного модуля, значений шумов фотодетектора и предварительного усилителя. Приемные оптоэлектронные модули |29|проф. Белкин М.Е. Как известно, фототок, При модуляции гармоническим сигналом Р вх = Р о (1+m A cosΩt), из-за большой разницы частот можно считать сигнал постоянным в достаточно широкой полосе модулирующих частот. где Р вх. – мощность входного оптического сигнала; q – элементарный заряд; η – квантовая эффективность фотодиода; М – коэффициент умножения фототока в ЛФД (для pin-фотодиода М=1) При глубине модуляции m1 Номинальная мощность сигнала Р ном на выходе фотодетектора в соответствии с эквивалентной схемой R d, С d – дифференциальное сопротивление и емкость фотодиода; R б – сопротивление базы фотодиода; I ф – ток фотодиода; I ш1, I ш2 – эквивалентные шумовые токи, природа которых будет описана ниже Мощность в нагрузке, где С=С д +C н Коэффициент передачи

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ И ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФПУ РЕАЛЬНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО - 2 Максимальное значение коэффициента передачи 4R н /R д ; Коэффициент передачи входной цепи даже на низких частотах не превышает Коэффициент передачи уменьшается с ростом верхней частоты диапазона модулирующих частот. Компенсировать эти потери можно за счет внутреннего усиления фотодиода. Приемные оптоэлектронные модули |30|проф. Белкин М.Е. Из Квантовые шумы и шумы умножения фотоносителей Шумы темнового токаТепловые шумы

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ И ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФПУ РЕАЛЬНОЕ ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО - 3 При M=1, порог чувствительности определяется тепловыми шумами схемы предварительного усилителя. Порог чувствительности ФПУ с pin-фотодиодом цифровой ВОСП определяется как: где S – чувствительность фотодиода в А/Вт, которая является его паспортным параметром; r – отношение интенсивностей излучения при передаче паузы и посылки; Q – параметр, пропорциональный отношению сигнал/шум. Приемные оптоэлектронные модули |31|проф. Белкин М.Е. 0 Сравнение идеальных и реальных ФПУ Для низкоскоростных ФПУ Для высокоскоростных ФПУ Требование минимизации порога чувствительности является крайне важным только для магистральных ВОСП. В остальных случаях с точки зрения простоты схемы и эксплуатационных преимуществ целесообразнее использовать pin- фотодиоды, которые получили гораздо более широкое распространение в ВОСП, чем ЛФД.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОМ Согласно ГОСТ ПРОМ характеризуется следующими параметрами: Рабочая длина волны, для которой нормированы остальные параметры, мкм. Полоса пропускания, т.е. интервал частот, в котором модуль коэффициента передачи больше или равен половине его максимального значения. Напряжение шума, т.е. среднеквадратическое значение флуктуаций выходного напряжения в заданной полосе частот в отсутствие оптического сигнала. Отношение сигнал/шум – отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднеквадратическому значению флуктуаций выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности. Коэффициент ошибок – отношение числа ошибок в цифровом сигнале на выходе устройства за данный интервал времени к числу символов в этом интервале. Порог чувствительности – минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе при заданных характеристиках этого сигнала, при которой обеспечивается заданное отношение сигнал/шум или заданный коэффициент ошибок. Динамический диапазон – отношение максимальной средней мощности входного оптического сигнала, при которой характеристики устройства не выходят за допустимые пределы, к порогу чувствительности. Приемные оптоэлектронные модули |32|проф. Белкин М.Е.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Шумы усилителя в основном зависят от типа транзистора, используемого во входном каскаде. Особенно велика его роль в случае применения pin-фотодиода, когда порог чувствительности определяется шумами схемы. Сравним возможности применения полевых и биполярных транзисторов: Приемные оптоэлектронные модули |33|проф. Белкин М.Е. G ш, R ш., у 21, С з.и. – параметры эквивалентных схем транзисторов, R н – сопротивление нагрузки усилительного каскада, I 2 и I 3 –интегралы Персоника, зависящие только от формы сигнала посылки, значения можно определить из графиков При низких скоростях передачи (В) целесообразно применять полевой транзистор, а при высоких – биполярный.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Основная задача - минимизация входной емкости усилителя, включающей емкость монтажа и первого каскада. Снижение емкости монтажа достигается рациональной конструкцией входной цепи, размещением приемника излучения как можно ближе к транзистору входного каскада; Входная емкость первого каскада включает в себя: Статическую входную емкость эквивалентной схемы транзистора; Динамическую емкость, обусловленную так называемым эффектом Миллера, возникающую вследствие обратной связи по напряжению через проходную емкость транзистора. Согласно рисунку во входных каскадах могут применяться: каскодные схемы, схемы с параллельной обратной связью, повторители (истоковый и эмиттерный), усилители тока. Приемные оптоэлектронные модули |34|проф. Белкин М.Е. В каскодных схемах нагрузкой первого транзистора является низкое входное сопротивление биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой; В схемах с параллельной обратной связью сопротивление второго транзистора уменьшается за счет введения обратной связи по напряжению; Схемы повторителей имеют коэффициент передачи по напряжению меньше единицы; Усилители тока – низкое входное сопротивление, что увеличивает уровень шума схемы. Схемы входных каскадов предварительных усилителей (кружками обозначены точки постоянного потенциала): а – каскодные схемы; б – с параллельной обратной связью; в – истоковый повторитель; г – усилитель тока

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Применяемые в ФПУ типы предусилителей разделены на три группы: Высокоимпедансные; Трансимпедансные; Низкоимпедансные. Наиболее широко используются в ФПУ цифровых ВОСП высокоимпедансный и трансимпедансный варианты усилителей. Высокоимпедансные усилители применяются в ФПУ магистральных цифровых ВОСП при скоростях передачи до 400–500 Мбит/с, трансимпедансные – в ФПУ локальных цифровых ВОСП при скоростях до 1 Гбит/с и выше. Основным недостатком высокоимпедансного усилителя является его насыщение при длинной серии единиц, трансимпедансного усилителя – сложность обеспечения устойчивости на высоких частотах. Вследствие этого приходится уменьшать сопротивление передачи и переходить к локальной обратной связи в пределах одного каскада. Т.е. с повышением частоты он преобразуется в так называемый низкоимпедансный усилитель. Приемные оптоэлектронные модули |35|проф. Белкин М.Е.

ПРОМ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ Для уменьшения емкости монтажа и, следовательно, расширения полосы пропускания, повышения надежности и экономичности ПРОМ целесообразно выпускать в гибридном или монолитном исполнении. На сравнительно низких частотах (скорости до 600 Мбит/с) получили распространение интегральные ПРОМ, в состав которых входит оптический соединитель, фотодиод и предварительный усилитель. Модули, предназначенные для ВОСП с высокими скоростями передачи, используют меньшую степень интеграции. Обычно они включают приемник излучения и транзистор первого каскада. Интегральное исполнение позволяет существенно уменьшить суммарную емкость входной цепи и, следовательно, получить выигрыш в уровне шума. Устройства с pin-FET структурой по уровню порога чувствительности лишь незначительно уступают ФПУ с ЛФД. Приемные оптоэлектронные модули |36|проф. Белкин М.Е. Основные параметры ПРОМ: спектральный диапазон 1,3 мкм, порог чувствительности -52дБм при скорости передачи 8 Мбит/с, - 47дБм при скорости 34 Мбит/с и -40дБм при скорости 140 Мбит/с. Варианты модулей pin-FET структуры (R – высокоомный резистор; С – разделительный конденсатор) Принципиальная схема и схема включения интегрального ПРОМ типа HRR7000

ПРИЕМНЫЕ МОДУЛИ АНАЛОГОВЫХ ВОСП Для аналоговой передачи сигналов в ВОСП Требуется значительно большая величина отношения сигнал/шум на выходе ФПУ, что вызвало необходимость: Повышения выходной мощности оптического передатчика; Учета дополнительного шума лазера RIN, имеющего тенденцию к резкому увеличению при попадании в лазерный резонатор отражений от различных неоднородностей волоконно-оптического тракта; Для повышения отношения сигнал/шум стремятся обеспечить по возможности большую глубину модуляции оптического излучения, но при этом из-за нелинейности лазерного диода в спектре передаваемого сигнала появляются нелинейные искажения. С целью повышения пропускной способности современные аналоговые ВОСП строятся по многоканальному принципу с использованием ЧРК. При этом, помимо гармонических нелинейных искажений одноканальных систем, возникают взаимные помехи между каналами, называемые в радиотехнике интермодуляционными искажениями или помехами комбинационных частот. Приемные оптоэлектронные модули |37|проф. Белкин М.Е.

КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВЫХ ПРОМ На основе обобщенной структурной схемы ВОСП можно получить выражение для расчета мощности i-го канала на выходе ФПУ многоканальной ВОСП с ЧРК при равномерной загрузке каналов с учетом особенностей работы оптоэлектронных устройств (ПОМ, ПРОМ) в ОВЧ и УВЧ диапазонах. Чтобы исключить зависимость от параметров источника сигнала, анализ проводится в относительных терминах коэффициента передачи цепи: Приемные оптоэлектронные модули |38|проф. Белкин М.Е. Здесь f i – частота поднесущей i-го канала; Р гi – мощность i-го канала на входе оптического передающего устройства; |Г вх | - модуль коэффициента отражения по входу ПОМ; z вхл - входной импеданс лазерного модуля; л - коэффициент преобразования излучателя, Вт/А; Iн о – постоянный ток смещения лазера; m i – глубина модуляции излучения по i-му каналу; у п –потери в оптическом изоляторе; N 1 – коэффициент ввода излучения в волоконный световод; А – погонные потери в оптическом тракте, дБ/км; – длина оптического тракта, км; n – количество сращиваний волокна в оптическом тракте; N 2 – средние потери на сросток, дБ; N 3 - коэффициент ввода излучения в фотодиод; R o – номинальная чувствительность фотодиода, А/Вт; k ф – коэффициент передачи фотодиода; k вх – коэффициент передачи входной цепи ПРОМ; – входной импеданс предварительного усилителя; – реализуемый коэффициент передачи мощности усилителя ПРОМ. Обращаю ваше внимание, что под формулой отмечен вклад каждого узла ВОСП.

ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ В КАНАЛЕ Еще одной важной характеристикой многоканальной аналоговой ВОСП является отношение сигнал/шум или несущая/шум в канале. Общее выражение для амплитуды фототока Iфm при модуляции оптической несущей гармоническим сигналом с учетом использования фотодиода pin- структуры (М=1) при глубине модуляции в одном канале mi: Приемные оптоэлектронные модули |39|проф. Белкин М.Е. Где q – элементарный заряд; - квантовая эффективность фотодиода; Р о – средняя мощность на входе фотоприемника; h - энергия фотона. Отношение сигнал/шум в i-м канале многоканального ФПУ с учетом специфичного для аналоговых ВОСП шума RIN, источником которого является оптический передатчик: I T – темновой ток фотодиода; k Б – постоянная Больцмана; Т о – абсолютная температура; F ус – коэффициент шума предварительного усилителя ПРОМ; RIN- относительный шум интенсивности лазера, 1/Гц; f – эффективное значение полосы пропускания ФПУ. Если пренебречь вкладом RIN лазера и принять m i =1, то данное выражение будет подобно выражению для отношения сигнал/шум ФПУ цифровой ВОСП, принимая в последнем М=1 и учитывая соотношение между R o и. Однако в реальной многоканальной аналоговой ВОСП, вследствие необходимости устранения нелинейных искажений, глубина модуляции на канал выбирается значительно меньше 1. Отсюда следует важный вывод, что при одинаковой мощности оптического передатчика и одинаковом затухании в волоконно-оптическом тракте отношение сигнал/шум на выходе ФПУ аналоговой ВОСП всегда меньше, чем в цифровой ВОСП на величину 0,5m i 2.

КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ ФОТОДИОДА Параметр k фд определяется на основе физической эквивалентной схемы pin-фотодиода. В схеме дополнительно учитывается влияние индуктивности проволочного вывода L в, емкости корпуса или кристаллодержателя С к, а также времени пролета фотоносителей t пр в области поглощения. Это время для диодов с полосой пропускания в СВЧ диапазоне получается одного порядка с характерной постоянной времени RC-цепи фотодиода, равной произведению С п R п. В данном случае фототок I ф является комплексной величиной, а эффект конечного t пр описывается с помощью так называемого инерционного звена первого порядка: Приемные оптоэлектронные модули |40|проф. Белкин М.Е. где I ф0 – фототок на низких частотах, когда справедливо неравенство ω э t пр « 1, ω э - угловая частота в полосе частот поднесущих. Коэффициент передачи фотодиода рассчитывается по его эквивалентной схеме как отношение тока I н в нагрузке Z н к фототоку I фо : Для данной схемы: где w - ширина обедненной области фотодиода; μ - подвижность носителей; Vв – напряжение постоянного обратного смещения.

КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ ВХОДНОЙ ЦЕПИ ПРОМ. ШУМЫ В многоканальных аналоговых ВОСП вследствие высоких частот диапазона поднесущих импеданс фотодиода в сравнении с цифровой ВОСП определяется уже не дифференциальным сопротивлением R д, а емкостью перехода С п, сопротивление которой уменьшается с повышением частоты. Следовательно, в сравнительно узкой полосе частот диапазона поднесущих аналоговой ВОСП с ЧРК возможно увеличение k вх за счет введения согласующей схемы, например, параллельной индуктивности, обеспечивающей в диапазоне поднесущих параллельный резонанс с емкостями С п и С к. Приемные оптоэлектронные модули |41|проф. Белкин М.Е. Вклады основных шумовых компонентов: Спектральная плотность мощностей шума лазера – RIN= -100…-160 дБ/Гц Теплового шума предварительного усилителя – F ус =2-3 дБ Дробового шума фотоприемника при типичных значениях R о =0,7 А/Вт и =50 Ом Чтобы обеспечить в аналоговой ВОСП так называемый предел по тепловым шумам, шумы лазера не должны превышать -150 дБ/Гц, что достигнуто в современных лазерах.

КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ ВХОДНОЙ ЦЕПИ ПРОМ. ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ /ШУМ Детектирование амплитудно-модулированного сигнала происходит практически без изменения отношения сигнал/шум. Приемные оптоэлектронные модули |42|проф. Белкин М.Е. Для стандартной кривой линейных предыскажений, рекомендуемой международной организацией ITU-R, суммарный выигрыш коэффициентов В в и α составляет около 18 дБ. Рассчитанные отношения сигнал/шум на выходе ФПУ ВОСП с ЧРК-АМ при глубине модуляции на канал m i =2…10% и RIN = -150 дБ/Гц приведены на рисунке. При передаче информационных сигналов методом ЧМ обеспечивается значительный выигрыш в отношении сигнал/шум. Для аналоговых ВОСП с ЧРК это дает возможность существенно снизить требования к минимальной величине отношения сигнал/шум на выходе ФПУ и уменьшить глубину модуляции на канал и влияние нелинейности и шумов лазера. Например, при частотном детектировании телевизионного сигнала отношения сигнал/шум на выходе ПРОМ и на выходе ФПУ связаны как: (Р с /Р ш ) ФПУ =(Р с /Р ш ) ПРОМ ·В ТВ (ЧМ)·В в ·α·k

ПОРОГОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Пороговую чувствительность соответствует для аналоговых ВОСП входному уровню ФПУ при минимальном требуемом отношении сигнал/шум на выходе устройства. В ПРОМ аналоговых ВОСП обычно используются pin-фотодиоды с малыми темновыми токами, что обеспечивает малые дробовые шумы. Поэтому можно считать, что при применении в оптическом передающем устройстве лазерного модуля с достаточно малыми шумами основной вклад в шумы на выходе ПРОМ вносится тепловыми шумами предварительного усилителя и определять шумовые характеристики его коэффициентом шума. Тогда Приемные оптоэлектронные модули |43|проф. Белкин М.Е. Отсюда, для определения порога чувствительности ФПУ аналоговой ВОСП с ЧРК:

ПРОМ СВЧ ДИАПАЗОНА Применении резонансного согласования во входной цепи усилителя, что существенно улучшает отношение сигнал/шум. Для оценки эффекта резонансного согласования рассчитаем схему и характеристики ПРОМ ВОСП с СВЧ поднесущей для бескорпусного pin-фотодиода и микрополоскового СВЧ усилителя на биполярных транзисторах КТ3132. Примем: частота поднесущей равна 2,2 ГГц полоса пропускания ПРОМ 400 МГц (относительная ширина полосы канала 18%). ПРОМ имеет следующие параметры: реализуемый коэффициент передачи мощности 17 дБ с неравномерностью в пределах 1 дБ во всем диапазоне частот поднесущих, коэффициент шума не более 2,5 дБ, КСВН по выходу – не более 1,5. Приемные оптоэлектронные модули |44|проф. Белкин М.Е. Выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании резонансного согласования на входе предварительного усилителя ПРОМ Схема приемного оптоэлектронного модуля СВЧ диапазона ФПУ аналоговой ВОСП

ПРОМ МНОГОКАНАЛЬНОГО ФПУ ДЛЯ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ Типичным представителем ПРОМ для кабельного ТВ в гибридном исполнении является микросхема BGO827 производства фирмы Philips Semiconductor. Особенность ее функциональной схемы состоит в использовании бескорпусного pin-фотодиода, низкоимпедансного усилителя с одновременно высокой линейностью, большим динамическим диапазоном и хорошими шумовыми характеристиками. Основные параметры модуля BGO827: Спектральный рабочий диапазон … нм Спектральная чувствительность фотодиода не менее…..…0,85 А/Вт (1,3 мкм); 0,9 А/Вт (1,55 мкм) Коэффициент отражения по оптическому входу, не более………………..…………………………………. -45 дБ Чувствительность ПРОМ, не менее………………………………… 750 В/Вт (1,3 мкм) Полоса пропускания……………………… МГц Неравномерность АХЧ в полосе пропускания, не более………………………………………………..… дБ Приведенный ко входу усилителя эквивалентный уровень шума, не более………………….... 8,5 пА/ Гц Уровень интермодуляционных искажений второго порядка, не более…….………………… дБ Уровень интермодуляционных искажений третьего порядка, не более………………………………….…. -73 дБ Приемные оптоэлектронные модули |45|проф. Белкин М.Е.

ФПУ СОВРЕМЕННОЙ МНОГОКАНАЛЬНОЙ АНАЛОГОВОЙ ВОСП Основными элементами его являются ПРОМ и узел обработки. В ФПУ аналоговой ВОСП узел обработки, как правило, содержит набор демодуляторов каналов поднесущих. Приемные оптоэлектронные модули |46|проф. Белкин М.Е. ФПУ состоит из трех блоков: питания, оптического приема и демодуляции. Принципы работы блока оптического приема были рассмотрены выше, а примененные АМ и ЧМ демодуляторы ничем не отличаются от стандартных устройств, используемых в системах радиотехнического диапазона. Спектральный диапазон………………………………………. 1,3 ± 0,02 мкм Пороговая чувствительность, не более…………………………….. -8дБм Отношение сигнал/шум в канале изображения, не менее…50 дБ Отношение сигнал/шум в канале звука, не менее…………….. 60 дБ Выходные уровни каналов изображения и звука соответствуют требованиям ГОСТ.

ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ. КЛАССИФИКАЦИЯ Активные устройства оптического тракта|47|проф. Белкин М.Е. Примеры использования: Предварительный или линейный усилитель на входе фотоприемного устройства когерентной ВОСП; Усилитель мощности на выходе передающего устройства многоволновой ВОСП с СРК; Ретрансляционный усилитель в линейном тракте транспортной ВОСП большой протяженности (особенно, в трансокеанской ВОСП) или широко разветвленной локальной ВОСП В основном в волоконно-оптических системах применят лазерные усилители бегущей волны и легированные волоконные усилители.

ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ. ПАРАМЕТРЫ Характеристика0 УФПУБВЛВУРВУБВУ Среда усиленияПолупроводниковая, пригодна для монолитной интеграции Волоконная, непригодна для монолитной интеграции Поляризационная чувствительность Есть, уменьшение усиления до нескольких дБ Нет Направленность Нет Есть Способ накачки ЭлектрическийОптический Центральная длина волны 2-е и 3-е окна прозрачности Ограниченный набор в 3-м окне 2-е и 3-е окна3-е окно Схема построения Сосредоточенная Сосредоточенная, распределенная Распределенная Выходная мощность До 2 мВтДо 10 мВт>500 мВтДо 1 ВтДо 10 мВт Полоса усиления До 10 ГГцДо 70 нмДо 50 нмДо 100 МГц Малосигнальное усиление До 30 дБ*До 40 дБ Коэффициент шума Около 5 дБ3-6 дБ15-20 дБ Потери на стыковки с ОВС 6-10 дБ< 1 дБ Эффективность накачки >28 дБ/50 мА11 дБ/мВт0,1 дБ/мВт5-6 дБ/мВт Стоимость Низкая: сотни $Высокая: тысячи $- *Без учета потерь на стыковку с одномодовым волоконным световодом Активные устройства оптического тракта|48|проф. Белкин М.Е.

КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ. СИГНАЛ/ШУМ Для малосигнального режима:, Сужение полосы усиления: В режиме большого сигнала, с учетом нормировки K=G/G 0. Тогда выходная мощность:, P s – мощность насыщения. Отношения сигнал/шум на входе усилителя, Δf – полоса измерительного прибора Отношения сигнал/шум на выходе усилителя, S sp - вклад спонтанной эмиссии Отношение сигнал/шум усилителя, n sp – коэффициент спонтанной эмиссии При G>20 дБ (верно для любого усилителя) F n 2n sp F n 3 дБ n sp >1 Активные устройства оптического тракта|49|проф. Белкин М.Е.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Из-за эффекта сужения полосы усилители с резонатором Фабри-Перо имеют полосу единицы ГГц. Для работы лазерного усилителя бегущей волны необходимо, в т.ч., выполнение R 1,R 2 40 дБ. где R 1, R 2 – коэффициенты отражения от границы, примерно 33%; G 0 - однопроходный коэффициент усиления; n – средний показатель преломления активной области; L – длина кристалла. при G 0 =20 дБ Конструкции кристалла УБВ с большим коэффициентом усиления Схемы построения нечувствительного к УБВ Активные устройства оптического тракта|50|проф. Белкин М.Е.

ЛЕГИРОВАННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Усиление происходит за счет легирования сердцевины одномодового кварцевого световода ионами редкоземельных элементов: эрбия, гольмия, неодима, самария, лития, иттербия. При легирование ионами эрбия усиление происходит в третьем окне прозрачности. Зависимость малосигнального усиления ЭЛВУ от мощности накачки. 1 – длина волны накачки 980 нм, центральная длина волны входного сигнала 1534 нм, длина активного волокна 23 м; 2 – длина волны накачки 1480 нм, центральная длина волны входного сигнала 1552 нм, длина активного волокна 90 м Характеристикаλ=1480 нмλ=980 нм Материал лазераInGaAs/InPInGaAs/GaAs Типичный диапазон выходной мощности, мВт Крутизна усилительной характеристики, дБ/мВт 510 Максимальная мощность насыщения усилителя, дБм 205 Минимальный коэффициент шума усилителя, дБ 53 Сравнение параметров источников накачки и достижимых характеристик эрбиевых легированных волоконных усилителей С-диапазона (ЭЛВУ) Активные устройства оптического тракта|51|проф. Белкин М.Е.

ЛЕГИРОВАННЫЙ ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ - 2 Работа ЭЛВУ сильно зависит от длины волокна. Альтернативный вариант легирования тулием расширяет рабочий диапазон длин волн, однако волоконные усилители легированные тулием имеют худшие характеристики. Характеристики коэффициента усиления ЭЛВУ с накачкой на волне 1480 нм. а – зависимость от мощности накачки; б – зависимость от длины активного волокна Усилительные и шумовые характеристики тулиевого волоконного усилителя S-диапазона Активные устройства оптического тракта|52|проф. Белкин М.Е.

ЛВУ ДЛЯ РАБОТЫ ВО ВТОРОМ ОКНЕ ПРОЗРАЧНОСТИ Во втором окне прозрачности могут быть использованы только полупроводниковые лазерные усилители с относительно малой линейной выходной мощностью. С целью создания волоконного усилителя во втором окне прозрачности было предложено несколько вариантов: 1.Легирование волокна ионами неодима, обеспечивающего усиление в полосе 1,3-1,36 мкм. на кварцевом волокне не удается обеспечить удовлетворительных характеристик усилителя из-за паразитных полос излучения и поглощения. 2.Легирование ионами неодима флуоридного волокна, получившего фирменное наименование ZBLAN. 3.Легирование ионам празеодима флуоридного волокна, спектр флуоресценции которого имеет пик в районе 1,32 мкм. Усилитель на базе этого активного волокна накачивается на длине волны около 1,01 мкм, что соответствует рабочему диапазону мощного титан-сапфирового твердотельного лазера (коэффициент усиления до 38 дБ) при выходной мощности насыщения до 20 мВт; С помощью полупроводникового лазера накачки, излучающего на волне 1,017 мкм. Волоконный усилитель диапазона 1,3 мкм далек от практического применения в ВОСП Активные устройства оптического тракта|53|проф. Белкин М.Е.

ЭРБИЕВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Схемы накачки эрбиевого волоконного усилителя а – с одинаковым направлением сигнала и накачки; б – с противоположным направлением сигнала и накачки; в – с двунаправленной накачкой; г – с распределенной схемой накачки (СД – спектральный делитель; ОФ – оптический фильтр; ЛН – лазер накачки) Практическая схема современного эрбиевого волоконного усилителя Активные устройства оптического тракта|54|проф. Белкин М.Е.

ЭРБИЕВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ - 2 ИзготовительCOVEGA, СШАUpNet IPGVolius МодельBOA 1007ЕА63400ЕА63500EAU-CATVS570 ТипУБВЭЛВУ Спектральный диапазон, нм ССССС Полоса усиления, нм Мощность насыщения по выходу, дБм 18-10…0*14…23* Малосигнальный коэффициент усиления, дБ 2820…30*3…33*-- Неравномерность коэффициента усиления, дБ, не более 0,210,5…22- Коэффициент шума, дБ64…4,74,5…6,34,5...5,5

ПАССИВНЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА Разъемные соединители; Разветвители; Спектральные фильтры; Изоляторы; Циркуляторы; Поляризаторы; Модуляторы. Пассивные устройства оптического тракта|56|проф. Белкин М.Е.

ОПТИЧЕСКИЕ СОЕДИНИТЕЛИ Принцип: торцевое соединение двух оптических вилок с помощью проходной оптической розетки. Может быть эффективно реализовано только при обеспечении строгой соосности волокон, идентичности их геометрии, а также высокой степени гладкости торцевых поверхностей. Общим показателем качества оптического соединителя для ВОСП любого типа являются вносимые потери, которые в настоящее время для соединителей одномодовых волокон достигли 0,2-0,3 дБ. Параметром, специфичным для АВОСП, является уровень обратного отражения, для существенного уменьшения которого необходимо создать между сердцевинами стыкуемых волокон, так называемый оптический контакт. Контакт реализуется в современных соединителях при помощи: сферической поверхности торцов наконечников (радиус сферичности мм) прижима с заданным усилием (порядка 10 Н) высококачественной механической полировки торцов: нормальная (обозначение РС) с уровнем обратного отражения -30 дБ супер (обозначение SPC) с уровнем обратного отражения -40 дБ ультра (обозначение UPC) с уровнем обратного отражения -50 дБ наилучшим вариантом для АВОСП считается использование углового оптического контакта типа APC, получаемого при скашивании торцов обоих наконечников на угол около 8° - уровень обратных отражений не более -70 дБ. Отличительным признаком соединителя данного типа является полимерный хвостовик зеленого цвета. Пассивные устройства оптического тракта|57|проф. Белкин М.Е.

ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ РАЗВЕТВИТЕЛИ Предназначены для разделения или объединения потоков оптического излучения, а также отвода части оптического излучения из основного канала передачи. По принципу построения различают: неселективные направленные Неселективные ненаправленные Спектрально-селективные разветвители, в состав которых входят спектральные фильтры. Наибольшее применение в АВОСП нашли оптические разветвители и ответвители с числом отводов не более двух, получаемые путем сплавления оптических волокон. В зависимости от конфигурации входных и выходных полюсов они получили название разветвители Y-типа и Х-типа. Принцип функционирования таких разветвителей основан на концепции непрерывности электромагнитного поля в узкой области между сердцевинами двух близко расположенных волокон. Отличительная черта разветвителей, применяемых в АВОСП состоит в минимизации отражений от входных и выходных портов - вводится дополнительный параметр затухания несогласованности, определяющийся в дБ как разность между падающей и отраженной мощностью для каждого из портов. Пассивные устройства оптического тракта|58|проф. Белкин М.Е.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР Пассивное устройство, используемое для ослабления (режекции) либо пропускания определенного участка спектра оптического излучения. Функционирует аналогично электрическим RLC фильтрам основное их отличие в том, что оптические фильтры бывают только полосно- пропускающего либо полосно-запирающего (режекторного) типа. Работа оптического фильтра базируется на явлениях дифракции, интерференции и поглощения. Основные типы оптических фильтров: интерференционные на базе интерферометров Фабри-Перо; интерференционные на базе интерферометров Маха-Цандера; дифракционные на базе проходной либо отражательной брэгговской решетки Возможна простая перестройка в широком интервале длин волн, осуществляемая путем поворота решетки. Изготавливаются в объемном, пленочном либо интегрально-оптическом исполнении. Наилучшие технические показатели получаются для объемного исполнения. Немаловажными для телекоммуникационных ВОСП достоинствами пленочных и интегральных фильтров являются лучшие экономические и массогабаритные характеристики. В составе аппаратуры аналоговой ВОСП устройства нашли применение в сверхширокополосных оптических усилителях, в системах когерентной связи и в многоволновых ВОСП с СРК для объединения и разделения оптических стволов. Пассивные устройства оптического тракта|59|проф. Белкин М.Е.

ОПТИЧЕСКИЙ ПОЛЯРИЗАТОР Устройство, формирующее волну только одной поляризации. Остальные волновые компоненты поглощаются либо рассеиваются. Эффект оптической поляризации основан на поперечности электромагнитного поля оптической волны. Идеальный линейный поляризатор пропускает только компоненту электрического поля неполяризованного света, вектор колебания которой параллелен его оси прозрачности. В соответствии с принципом работы данное устройство может выполнять функции избирательного поглощения, отражения, преломления и рассеивания. Для реализации их в настоящее время в оптике используются различного типа поляризаторы: на основе: брэгговской решетки дихроичного зеркала двулучепреломляющих нелинейных кристаллов многослойной структуры и т. д. В ВОСП они в основном применяются в составе: оптических изоляторов; поляризационных делителей (разветвителей); мультиплексоров для формирования линейно-поляризованной волны либо для выделения мод с ортогональной поляризацией; поляризационных контроллеров. Поляризаторы для ВОСП характеризуются стандартной системой параметров, включающей рабочую полосу, вносимые потери в полосах пропускания обеих поляризационных составляющих и контраст по полезной и нежелательной составляющим. Типичным для АВОСП, аналогично предыдущим рассмотрениям, является требование уменьшения обратных отражений, что обычно реализуется путем просветления либо слабого скашивания входной и выходных поверхностей поляризатора. Принцип построения поляризационного делителя Пассивные устройства оптического тракта|60|проф. Белкин М.Е.

ОПТИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР Оптический изолятор по аналогии с СВЧ вентилем можно определить как невзаимное оптическое устройство, служащее для однонаправленной передачи мощности оптического сигнала. В основе его работы лежит магнитооптический эффект Фарадея. В современных ВОСП в качестве его магнитооптического материала для работы в первом окне прозрачности обычно используется парамагнитное стекло, а во втором и третьем – железоиттриевый гранат. Для создания магнитного поля, как правило, используются самарий-кобальтовые магниты. Изоляторы для ВОСП характеризуются стандартной системой параметров, включающей рабочую полосу, вносимые потери в прямом направлении и развязку в обратном направлении. Типичным для АВОСП, аналогично предыдущим рассмотрениям, является дополнительное требование уменьшения обратных отражений, которое, как и в описанных выше оптических разветвителях, количественно характеризуется затуханием несогласованности. Конструктивно современные изоляторы наиболее распространены в объемном исполнении, пока обеспечивающем лучшие технико-экономические показатели по сравнению с интегрально-оптическим вариантом. Количественно достигнуты следующие параметры: вносимые потери 0,5-0,7 дБ, развязка дБ, что, как правило, недостаточно для современных АВОСП Пассивные устройства оптического тракта|61|проф. Белкин М.Е.

ОПТИЧЕСКИЙ ЦИРКУЛЯТОР Трех либо четырех портовое (плечное) невзаимное оптическое устройство, в котором обеспечивается прохождение оптического сигнала в направлении последовательного увеличения номера порта и развязка в обратном направлении. Оптический циркулятор с тремя портами получил название Y-циркулятора, а с четырьмя – Х-циркулятора. Схема оптического циркулятора Х-типа с применением полуволновой пластины Схема оптического циркулятора Х-типа с применением сдвоенного поляризационного делителя Вариант применения оптического циркулятора на примере мультиплексора типа OADM Пассивные устройства оптического тракта|62|проф. Белкин М.Е.

ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР В современных ВОСП любого класса нашел исключительное применение линейный электрооптический эффект Поккельса - изменение показателя преломления среды при воздействии внешнего электрического поля. Электрическое поле управляет фазой распространяющейся оптической волны фазовые или частотные модуляторы, нашедшие применение в когерентных ВОСП. Модуляторы интенсивности излучения можно реализовать с помощью квадратурной схемы. В зависимости от конструкции модуляторы делятся: Объемные; Волноводные с использованием оптических интегральных схем. Основным вариантом внешнего модулятора в цифровых и в аналоговых ВОСП является ниобат-литиевый электрооптический модулятор интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера. Ниобат лития представляет собой нелинейный сегнетоэлектрический материал, показатель преломления которого изменяется в зависимости от величины и направления приложенного электрического поля. Достоинства: высокий электрооптический коэффициент стабильное функционирование в принятом для устройств связи температурном интервале достаточно низкая диэлектрическая проницаемость возможность формирования планарных оптических волноводов с потерями в пределах 0,1 дБ/см наличие промышленно реализуемых методов эффективной связи с одномодовыми оптическими волокнами. Два основных типов модуляторов: Ниобат-литиевый модулятор Маха-Цандера Квантоворазмерный электроабсорбционный модулятор Пассивные устройства оптического тракта|63|проф. Белкин М.Е.

МОДУЛЯТОР МАХА-ЦАНДЕРА Управляющим параметром является напряжение внешнего электрического сигнала: причем численное значение T(V) находится в пределах от 0 до 1. передаточная функция модулятора Маха-Цандера Эквивалентные схемы входного узла модулятора Маха-Цандера Пассивные устройства оптического тракта|64|проф. Белкин М.Е.

КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОАБСОРБЦИОННЫЙ МОДУЛЯТОР (КЭАМ) Принцип работы заключается в эффекте увеличении поглощения многоквантоворазмерной области на основе квантовых ям при приложении электрического поля. Основные преимущества с точки зрения использования в АВОСП: миниатюрность; повышенная эффективность, особенно, в диапазоне миллиметровых волн; пригодность для оптоэлектронных интегральных схем (ОЭИС); работа в режиме трансивера. Преимущество по сравнению с модулятором Маха-Цандера: Длина менее 1 мм (сантиметры для модулятора Маха- Цандера); Для модуляции в СВЧ диапазоне требуется гораздо меньшее управляющее напряжение; Структура эпитаксиально выращивается на подложках GaAs или InP, может быть встроен в МИС. Передаточная функция, описывающая процесс электрооптического преобразования: Глубина оптической модуляции. Зависимость передаточной функции КЭАМ от напряжения обратного смещения Базовая конструкция кристалла КЭАМ Пассивные устройства оптического тракта|65|проф. Белкин М.Е.

КВАНТОВОРАЗМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОАБСОРБЦИОННЫЙ МОДУЛЯТОР (КЭАМ) Миниатюрность КЭАМ позволяет использовать для описания работы электрической управляющей цепи эквивалентную схему с сосредоточенными параметрами. Параметры схемы рассчитываются из свойств и геометрии модулятора Уменьшая длину КЭАМ, можно обеспечить полосу модуляции по уровню -3 дБ вплоть до почти 40 ГГц. Фотоэлектрическая характеристика КЭАМ Оптические модуляторы (Маха-Цандера и КЭА) характеризуются стандартной системой технических параметров: спектральный диапазон; вносимые оптические потери; полуволновое напряжение; полосу модуляции; максимально допустимую мощность; затухание несогласованности входных оптических и управляющих радиочастотных сигналов. ЧМХ для КЭАМ при длинах кристалла 370 мкм (а), 180 мкм (б) и 100 мкм (в) Пассивные устройства оптического тракта|66|проф. Белкин М.Е.

ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ ИзготовительCOVEGA, СШАEOspace, США Sumitomo Osaka Cement, Япония Photline Technologies, Франция OKI Electronics Components, Япония МодельMach T-MZ1.5-40MX-LN-40OM5653C-30B ТипММЦ, Z-срез ММЦ, X-срезКЭАМ Спектральный диапазон, нм ± Полуволновое напряжение, V π, В 5,5 (1 ГГц)4 (1 ГГц)5,5 3 Вносимые оптические потери, дБ 430 Затухание несогласованности в СВЧ диапазоне, дБ 10>10 (до 20 ГГц)12 >10 Макс. мощность СВЧ сигнала, дБм Затухание несогласованности в оптическом диапазоне, дБ 40>50>30>40- Габариты, мм65х11х588х9х9120х15х15100х15х9,522х21х10,5 Пассивные устройства оптического тракта|67|проф. Белкин М.Е.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

ПРЕИМУЩЕСТВА ВОСП N/NN/N ХарактеристикаСледствие 1.Большая протяженность ( L ), высокая скорость передачи (В), независимость протяженности от скорости передачи L(B)=const Глобальная цифровизация сетей. Реконструкция подводных кабельных магистралей. Для большинства систем дальней связи ВОСП=ЦСП+ОК. Возможность проектирования на перспективу развития. 2.Невосприимчивость ко внешним электромагнитным воздействиям. Упрощение состава оборудования линейного тракта, размещенного в НРП. Максимальная проектная длина L max одинакова при двухкабельной и однокабельной схеме связи. Более трудный доступ к передаваемой информации 3.Малые габариты и вес.Увеличение строительной длины кабеля. Уменьшение капитальных затрат и увеличение надежности линейно-кабельных сооружений. 4.Экономия цветных металловНеограниченные возможности производства оптических волокон

Особенности технической эксплуатации ВОСП N/NN/N ХарактеристикаСледствие 1Отсутствие металлических жил в кабеле Проблема электропитания аппаратуры в НРП 2Большая протяженность и высокая пропускная способность Более строгие требования к качеству функционирования и нормированию параметров линейного сигнала 3Наличие источников оптического излучения Проблема надежности аппаратуры и обеспечения мер безопасности от поражения оптическим излучением 4Наличие оптических волокон, многоволоконность Новые методы и средства монтажа и измерений параметров волокон и кабеля

ДЛИНА УЧАСТКА РЕГЕНЕРАЦИИ ПО ЗАТУХАНИЮ (мкм) 0,851,311,55 (дБ / км) 2,5 - 3,00,35 - 0,50,17 - 0,22 L (км) ДЛИНА УЧАСТКА РЕГЕНЕРАЦИИ ПО СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ Для многомодовых оптических волокон (МОВ) 2 F L (км) В где: F (МГц -км) - широкополосность МОВ; В (МГц) - широкополосность ИКМ сигнала, передаваемого по линии. МОВООВ СВГВСВ СВ - волокна со ступенчатым профилем показателя преломления; ГВ - волокна с градиентным профилем показателя преломления.

УВЕЛИЧЕНИЕ ДЛИНЫ УЧАСТКА РЕГЕНЕРАЦИИ ПО ЗАТУХАНИЮ ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ Определены следующие три типа ОУ: ОУ 1 - усилитель мощности (booster), устройство OFA ( optical fiber amplifier) с большим значением мощности насыщения, предназначенное для использования непосредственно на выходе оптического передатчика (Пд У) для увеличения уровня мощности сигнала; ОУ 2 - предусилитель (preamlifier), устройство OFA с очень низким уровнем шума, предназначенное для использования непосредственно на входе оптического приемника (ПрУ) для увеличения его чувствительности; ОУ 3 - линейный усилитель (line amplifier), устройство OFA с низким уровнем шума, которое следует включать между участками пассивного волокна для увеличения длины участка регенерации. В соответствии с определениями ОУ 1, ОУ 2, ОУ 3 возможны нижеследующие схемы применения ОУ: ПдУОУ 1 ОУ 2 ПрУ ПдУПрУОУ 2 ОУ 1 ПдУОУ 3 ОУ 2 ПрУ ПдУОУ 1 а) б) в) г)

с =1550 нм Лазер накачки Лазер накачки АОВ Схема ОУ 1 Вых ОИ с =1480 нм с =1550 нм ОМ Вх

ОФ ОИ Вых с =1550 нм ОМ с =980нм с =1550 нм Лазер накачки Схема ОУ 2 ОИ Вх. АОВ АОВ – активное (Эрбиевое) оптическое волокно ОИ – оптический изолятор ОМ – оптический мультиплексор ОФ – оптический фильтр

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ n1n1 n2n2 n1n1 n2n2 d c d ов = 125 мкм n 1 - показатель преломления оболочки ОВ; n 2 - показатель преломления сердечника ОВ; d ов - диаметр оболочки ОВ; d с - диаметр сердечника ОВ; - угол падения оптического луча; - угол отражения оптического луча.. NA = sin макс = ( n n 1 2 ) 1 / 2 где: N - число мод, А - числовая апертура

Для многомодовых волокон L L / sin t 0 =, t N =, d с = 50 мкм с /n 2 с /n 2 t м t N - t 0 м = = = 1/F, L где: м – коэффициент модовой дисперсии, t м - уширение импульсов на приемном конце t N - время распространения N -ой (высшей) моды t 0 - время распространения нулевой моды = м 2 (нс / км ) + хр 2 (пс / нм х км) 1 / 2

Для одномодовых волокон d с < 10 - условие одномодовой передачи хр ( ) = мат ( ) + волнов ( ), м = 0 где: хр - хроматическая дисперсия мат - материальная дисперсия волнов - волноводная дисперсия н 0 в 0 (нм) - длина волны нулевой дисперсии

ДЛИНА УЧАСТКА РЕГЕНЕРАЦИИ ПО СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ Для одномодовых оптических волокон (ООВ) 4,4 х 10 5 L (км) = В х хр х где: (нм) - ширина спектра оптического сигнала, передаваемого по линии; хр (пс/нм х км ) - хроматическая дисперсия ООВ. Предельная пропускная способность в каналах ОЦК f 1,92 х = = 3 х 10 9 Воцк 64 х 10 3 где : f - частота несущей в диапазоне =1,55 мкм с f = = (1, ,96) х Гц

79 Процесс оптиковизации сетей может быть разбит на несколько значимых этапов. Первый этап связан с появлением в середине 80-х годов оптических волокон (ОВ) с затуханием единицы и десятые доли дБ/км при работе в окнах прозрачности с первого по третий соответственно. Это позволило при организации городских соединительных линий исключить НРП и их дистанционное питание, так как протяженность участка регенерации ВОСП перекрывала в большинстве случаев расстояние между двумя соседними АТС в городе. А приемопередающая аппаратура в промежуточных и оконечных пунктах соединительных линий реализовывалась в унифицированных стоечных конструктивах, предназначенных для размещения в отапливаемых помещениях ЛАЦ АТС. Первый этап значим и тем, что появление ОВ на сетях связи привело к процессу глобальной их цифровизации во всем мире, и первые поколения ВОСП – это были ЦСП на оптическом кабеле (ОК).

80 Второй этап в динамике развития ВОСП можно связать с появлением в конце 80-х годов одномодовых ОВ с нулевой, а затем со смещенной дисперсией, параметры которых были определены в Рекомендациях МСЭ-Т G.652 и G.653 соответственно. Это сразу же привело к штурму скоростей передачи. Еще до появления на сетях связи синхронных мультиплексоров появились ВОСП на базе ЦСП ПЦИ с неиерархическими скоростями 565 Мбит/с (Е4х4) и 2,4 Гбит/с (Е4х16). К особенностям одномодовых ОВ по сравнению с многомодовыми относится и то, что предельная длина участка регенерации по скорости передачи цифрового сигнала определялась уже не только параметрами ОВ, но и параметрами аппаратуры. Появление в начале 90-х годов на рынке средств связи эрбиевых волоконно- оптических усилителей и пассивных компенсаторов дисперсии значительно увеличило предельную длину по затуханию участка регенерации ВОСП, что позволило в большинстве случаев перекрыть расстояние между двумя соседними сетевыми узлами на зоновых и магистральных соединительных линиях связи, т.е. исключить НРП не только при проектировании новых, но и при реконструкции существующих линий передачи.

81 Третий этап динамики развития и внедрения оптических технологий можно связать с появлением в середине 90-х годов ВОСП со спектральным разделением каналов (ВОСП- СР), или многоволновых (многоканальных) ВОСП (технология WDM), востребованных проблемой «нехватки волокон». Первые поколения ВОСП-СР продемонстрировали новые возможности для операторов связи не только с точки зрения значительного увеличения пропускной способности существующих ВОЛП без существенных дополнительных капитальных затрат, но и с точки зрения более гибкой организации и развития сетей для транспортирования, например, различного вида информационной нагрузки.

82 Общим для сетевых структур на основе ВОСП-СР является то, что они включают: оптические мультиплексоры (ОМ) и оптические демультиплексоры (ОД), m транспондеров (ТР) для каждого из m оптических каналов ВОСП-СР, оптические усилители мощности на передающем конце оптического тракта (ОУ1), оптические предусилители на приемном конце оптического тракта (ОУ2) и линейные (промежуточные) оптические усилители в оптическом тракте. Транспондер предназначен для преобразования оптического сигнала с целью его передачи в оптическом канале с требуемыми характеристиками. 1 СТМ-N АТМ IP ОМ/ ОУ 1 ОУ 2/ ОД СТМ-N АТМ IP ТР III 1 2 m 2 ………… m

О/Е Регенератор Е/О λ III λiλi Оптический транспондер (ТР)-3R Определены два типа транспондера: - 2R с регенерацией цифрового сигнала по амплитуде и форме; 3R с регенерацией цифрового сигнала по амплитуде форме и тактовому (временному) положению. Для ТР-2R определяется диапазон скоростей цифрового сигнала, а ТР- 3R предназначен для работы на определенной (одной) скорости передачи цифрового сигнала. В составе оборудования ВОСП-СР могут отсутствовать транспондеры. В этом случае оптические входы ОМ и оптические выходы ОД подключаются, соответственно, к выходам и входам передатчиков и приемников ВОСП.

… В-П ДфС ЗК ВхВ Схема ОМ/ОД 1 2 m 1,... m ВхВ – входные (выходные) волноводы В-П – волноводная пластина ДфС – дифракционная структура ЗК – зеркальная поверхность

m ΔfГГЦ нм0,80,40,2 ОУ 1 + ОУ 2 + FEC261 (223) км Рамановское усиление300 (261) км Вставки из АОВ338 (305) км Число оптических каналов (m) в зависимости от полосы частот между ними (Δf) в рабочем диапазоне 1528,77 нм (196,1 ТГц) – 1560,61 нм (192,1 ТГц) В перспективе увеличение m до 512 при увеличении рабочего диапазона до 150 ( ) нм Достижения по длине участка ВОСП-СР для 8х2,5 (16х10) Гбит/с

86 В оборудовании ВОСП-СР могут применяться технологии: CWDM (Corse WDM) – неплотное спектральное разделение, при котором канальный промежуток превышает 20 нм; DWDM (Dense WDM) – плотное спектральное, при котором канальный промежуток равен 0,4; 0,8 или 1,6 нм; - UWDM (Ultra Dense WDM) – сверхплотное спектральное разделение, при котором канальный промежуток не превышает 0,2 нм. Определены также спектральные диапазоны длин волн, используемых для передачи оптических сигналов: О (original band) - от 1260 до 1360 нм; Е (extended band) - от 1360 до 1460 нм; S (short wavelength band) – от 1460 до 1530 нм; С (conventional band) – от 1530 до 1565 нм; L (long wave length band) – от 1565 до 1625 нм; U (ultra long wave length band) – от 1625 до 1675 нм.

Появление на рынке средств связи новых поколений оптических волокон (ОВ) по Рекомендации МСЭ-Т G.652 (тип D) - с отсутствием пика в зависимости затухания от длины волны и по Рекомендации МСЭ-Т G.656 – с более слабой зависимостью хроматической дисперсии от длины волны позволяет сегодня при проектировании ВОСП-СР использовать расширение рабочего диапазона длин волн для увеличения объема передаваемого трафика. Постоянное совершенствование технологических решений и элементной базы WDM уже сегодня создает предпосылки для рентабельного их применения в условиях рынка и для проектирования и строительства новых линий с учетом затрат на линейно-кабельные сооружения. К таким решениям можно отнести использование рамановского оптического усиления в рабочем волокне оптического тракта и применение предварительной коррекции ошибок при передаче в линии цифровых сигналов – FEC (forward error correction). На сетях доступа это связано с возможностью применения более дешевых технологий CWDM и компонентов оптических сетей доступа.

88 Рамановское усиление позволяет увеличить длину пассивных (элементарных) кабельных участков между промежуточными оптическими усилителями и тем самым уменьшить количество этих усилителей. Применение FEC (forward error correction) при передаче цифровых сигналов существенно снижает допустимую величину отношения сигнала к шуму при заданном коэффициенте ошибок, что дает возможность значительно увеличить протяженность регенерационных секций (RS) магистральных ВОСП-СР и тем самым уменьшить число регенерационных пунктов или даже совсем обойтись без них. Применение при прокладке кабеля на смежных строительных длинах оптических волокон по Рекомендации МСЭ-Т G.655 с различной по знаку и одинаковой по величине крутизной коэффициента хроматической дисперсии. с использованием кода передачи CRZ (RZ с чирпированием) позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка по дисперсии без применения компенсаторов дисперсии и, следовательно, дополнительного усиления, т. е. без дополнительных затрат. Практически, совместное использование выше отмеченных технических решений позволяет увеличить длину регенерационного участка магистральной ВОСП-СР до 5000 км.

Достигнутые на современном этапе развития значения перекрываемого затухания (А) и длины участка регенерации (L ) для ОВ с затуханием 0,2 дБ/км и уровня СТМ-16. Схема участка регенерации ВОСП А, дБ L, км Без ОУ33160 ОУ 1 + ОУ Рамановское усиление82410 Вставки из АОВ88440 Предкоррекция ошибок, FEC (Forward Error Correction) 94470

УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОЛП ПРОСТРАНСТВЕННЫМ МЕТОДОМ (ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОВОЛОКОННЫХ КАБЕЛЕЙ) Типовое распределение затрат при сооружении ВОЛП протяженностью L = 100 км. Статья расходовДоля затрат, % Аппаратура окончания линейного тракта 0,2 - 0,4 Оптическое волокно (без кабеля)2,0 Кабель (без волокон)18 Строительство ВОЛПоколо 80 Всего затрат100 Увеличение пропускной способности ВОЛП в 10 раз за счет увеличения числа волокон в кабеле увеличивает суммарные затраты при сооружении всего на 20 %. При числе волокон в кабеле более 200 пропускная способность ВОЛП - СР (при N =64 и m160 ) составит свыше 1,0 млрд. каналов ОЦК. В настоящее время в США и Европе производится прокладка труб ОК с числом ОК в трубе от 5 и более и с числом волокон в каждом ОК (Рекомендация G. 655) 72 или 96.

Малые габариты и вес ОК с одной стороны и резкое снижение цен на ОВ за последнее время создают дополнительные возможности для увеличения пропускной способности линии передачи за счет применения на сети многоволоконных ОК (технология SDM). Сегодня ресурс ОК по пропускной способности определяется произведением числа волокон на число оптических каналов и на предельную скорость в каждом канале при данной протяженности участка линии передачи.

h Е2Е1Е2Е1 I нак = с Е2Е1Е2Е1 R IфIф h Светодиод, СД (самопроизвольное или спонтанное излучение ) Лазерный диод, ЛД (индуцированное или стимулированное, или вынужденное излучение) Фотодиод, ФД (поглощение) ПРИНЦИП РАБОТЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ h Е2Е1Е2Е1 h h = h c/ = Е2 - Е2, (эв) - ширина запрещенной зоны

Основные параметры излучателей 1 Т 0 - наработка на отказ Р вых Тип Пара- метр ЛДСД Р вых (Вт)(1-5)х10 -3 (20-25)х10 -6 (нм) < 5-10 ( ) > ( )

I нак (ма) Р вых (Вт) СД(15мкВт / ма ) ЛД(200мкВт / ма ) I nop РСРС Р С / 2 (нм) Р вых (Вт) с Спектр излучения Ватт-амперные характеристики - ширина спектра излучения; с - центральная дина волны в спектре излучения; Р С - уровень мощности оптического излучения на центральной длине волны; I nop - пороговое значение тока накачки ( I нак ).

АП УССЛК ОК L Р вх Р вых Р вх S S R R S (Пд) - эталонная точка оптического тракта на передаче R ( П р ) - эталонная точка оптического тракта на приеме; АП - аппаратура окончания линейного тракта; УССЛК - устройство соединения станционного и линейного оптических кабелей; ОК - оптический кабель. Структурная схема линейного тракта

Р вых (Вт) Э(дБ) = 10 lg = Р вых (дБм) - Р вх мин (дБм) Р вх мин (Вт) Р вых (дБм) - уровень мощности оптического излучения на выходе передатчика; Р вх мин (дБм) - минимальный уровень мощности оптического излучения на входе приемника, при котором обеспечивается требуемое качество передачи (уровень чувствительности приемника), обычно К ош Р= Р вх макс - Р вх мин (дБ) - динамический диапазон приемника; Р вх макс - максимальный уровень мощности оптического излучения на входе приемника, при котором обеспечивается требуемое качество передачи (уровень перегрузки приемника). Энергетический потенциал (определение для первых поколений ВОСП)

Выражение для максимально проектной длины участка регенерации: Э - рс - М L макс = + нс / Lстр Выражение для минимальной проектной длины участка регенерации: Э - рс - Р L мин = + нс / Lстр (дБ / км) - километрическое затухание в оптическом волокне кабеля; рс (дБ) - суммарные потери в разъемных соединителях; нс (дБ) - оптические потери в неразъемном (сварном) соединении; М (дБ) = М АП + М ОК - системный запас; М АП (дБ) - системный запас по аппаратуре; М ОК (дБ) - системный запас по кабелю; L стр (км) - строительная длина кабеля.

Перекрываемое затухание (определение для современных ВОСП) А (дБ) = Э RS – М АП Диапазон перекрываемых затуханий (от максимального до минимального) Минимальное значение перекрываемого затухания Максимальный уровень излучаемой мощности Минимальный уровень излучаемой мощности Максимальное значение перекрываемого затухания Уровень перегрузки приемника Дополнительные потери оптического тракта Уровень чувствительности приемника

Классификация оптических стыков одноканальных ВОСП Для классификации оптических стыков используется информационно-кодовая структура, называемая кодом применения. Код применения имеет следующий вид: ТИП ПРИМЕНЕНИЯ - УРОВЕНЬ СТМ. ЦИФРОВОЙ СИМВОЛ, где ТИП ПРИМЕНЕНИЯ обозначается: - В (I) - для внутриобъектовой связи ( intra), - К (S) - для короткой межстанционной связи (short), - Д (L) - для длинной межстанционной связи (long) ; - О( V) - для очень длинной межстанционной связи (very); - C(U) - для сверхдлинной межстанционной связи (ultra). УРОВЕНЬ СТМ обозначается: N = 1, 4, 16 и 64 ОТСУТСТВИЕ ЦИФРОВОГО СИМВОЛА - указывает номинальную длину волны источника излучения 1310 нм и тип кабеля с ОВ-SMFдля внутриобъектовой связи, ЦИФРОВОЙ СИМВОЛ 1 - указывает номинальную длину волны источника излучения 1310 нм и тип кабеля с ОВ-SMF(Рек. МСЭ G.652); ЦИФРОВОЙ СИМВОЛ 2 - указывает номинальную длину волны источника излучения 1550 нм и тип кабеля с ОВ-SMF(Рек. МСЭ G.652); ЦИФРОВОЙ СИМВОЛ 3 - указывает номинальную длину волны источника излучения 1550 нм и тип кабеля с ОВ- DS SMF(Рек. МСЭ G.653).

Классификация оптических стыков многоканальных ВОСП Для классификации оптических стыков используется информационно- кодовая структура, называемая кодом применения, имеющая следующий вид: n W x - y. z, где : n - максимальное число длин волн (каналов или спектральных стволов); W - соответствует коду применения по протяженности участка, уже определенному для одноканальных ВОСП, т.е. типам: L, V или U; x - максимальное число пролетов между промежуточными оптическими усилителями ОУ3, при х = 1 на участке регенерации ВОСП нет ОУ3; у - уровень СТМ-N (y = N); z - означает тип оптического кабеля в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т: z = 2 соответствует Рек. G.652 (ОВ-SMF), z = 3 соответствует Рек. G.653 (OB-DSSMF), z = 5 соответствует Рек. G.655 (OB-NZDSSMF).

101 Появление новых оптических технологий и средств и постоянное их совершенствование создает предпосылки для создания сетей следующего поколения на чисто оптическом транспортном уровне, что можно связать с четвертым этапом динамики развития и перспективами внедрения ВОСП. Сущность фотонизации заключается в том, что на физическом уровне во всех звеньях цепи передачи исключается преобразование типа фотон-электрон и электрон-фотон. Это дает возможность на несколько порядков увеличить скорость передачи сигнала, значительно увеличить протяженность участка линии передачи между соседними промежуточными пунктами благодаря уменьшению шумов за счет тепловой компоненты, а также существенно повысить технико-экономические показатели оборудования и его надежность в результате исключения электронно-оптических преобразователей. Для реализации транспортной системы, которая выполняет функции оптической кроссконнекции и оптического мультиплексирования ввода- вывода, предлагается маршрутизация по длине волны, многократное использование длин волн, пакетное переключение с многократными пересылками сигнала. При этом каждая станция доступа в оптической транспортной сети (OTN – Optical Transport Network) преобразует сигналы, полученные от пользователей, в соответствующий оптический формат и передает эти сигналы на транспортный узел.

АОМ ОВ ОП ОВ ОАД ОВОУ АОМ - акусто оптический модулятор ОАД - оптикоакустический детектор ОП - оптический переключатель с управлением оптическим сигналом Схема фотонной цепи передачи Речевое сообщение

ОК ОР ОК ОУ ОК ОР - оптический регенератор ОК – оптичечский кабель ОУ – оптический усилитель Участок фотонной линии передачи

Оптический тракт Оптический тракт (распределительный) Оптический транспортный узел Оптический узел доступа Вариант построения фотонной сети Оптическая линия передачи 1

Создание и совершенствование оптических волокон различного назначения, компенсаторов дисперсии, оптических усилителей, технологий и средств спектрального разделения (DWDM и CWDM), оптических разветвителей и коммутаторов, оптических регенераторов и кроссконекторов, а также технологии и средств OTDM, позволяет создать оптическую транспортную сеть с колоссальной пропускной способностью (сотни и тысячи Тбит/с), с возможностью передачи на большие расстояния (сотни и тысячи км) огромного ассортимента (десятки и сотни видов) различного вида информационной нагрузки. Другими словами набирающий силу процесс фотонизации сетей позволит в будущем осуществлять между любой парой абонентов соединение по любому набору инфокоммуникационных услуг на основе прозрачного оптического канала, т. е. создать глобальную оптическую транспортную систему (или систему доступа) – как универсальную платформу транспорта и доступа сетей связи нового поколения. Сегодня разработан целый пакет Рекомендаций МСЭ-Т (G.671, 709, 7715, 798, 8080, 8251, , 959.1) по архитектуре, управлению и характеристикам оборудования и компонентов оптической транспортной сети, во многом основанной на принципах построения транспортной системы СЦИ, но на чисто оптическом уровне.

106 Уровни иерархии OTN (optical transport network) 1 - 2,5 Гб/с Гб/с Гб/с ОСН-ОНOCH PayloadForward Error correction (FEC) Заголовок оптического канала Информационная нагрузка оптического канала (СЦИ, АТМ, IP,…) Предкоррекция ошибок (f на 7%, L на 20…50%) Сетевые слои OCH(ОСП)OMS(ОМС)OTS(ОСП)OTN(ОТС) VC-n(ВК-n)MS(МС)RS(РС)SDH(СЦИ)

OTS ОУ λmλm λ1λ1 λmλm λ1λ1 ОМ ОД Оптическая секция передачи (OTS) λmλm λ1λ1 λ1λ1 λmλm Резервная OMS Рабочая OMS ОМ ОД Оптическая мультиплексная секция (OMS)

Код применения для ОТС имеет следующую структуру ( по Рек. МСЭ-Т G.659.1): Pn Wx-ytz, где: P – обозначает стык пред-ОТС; n – указывает максимальное число используемых длин волн (оптических каналов); W – обозначает протяженность/затухание линии (элементарного кабельного участка): – VSR (very short reach) – линия сверхкороткой протяженности, – I (intra-office) – линия внутриобъектовая (затухание до 7 дБ), – S (short haul) – линия малой протяженности (до 11 дБ), – L (long haul) – линия большой протяженности (до 22 дБ), – V (very long-haul) – линия очень большой протяженности (до 33 дБ). х – указывает число усилительных участков; y – определяет максимальную скорость передачи оптического компонентного сигнала: - 1 – сигнал NRZ со скоростью передачи 2,5 Гбит/с; - 2 – сигнал NRZ со скоростью передачи 10 Гбит/c; - 3 – сигнал NRZ со скоростью передачи 40 Гбит/c; - 7 – сигнал RZ со скоростью передачи 40 Гбит/c. t – определяет конфигурацию системы, а именно: – A – наличие усилителя передачи (ОУ1) и усилителя приема (ОУ2); – B – наличие только усилителя передачи; – С – наличие только усилителя приема; – D – указывает на отсутствие усилителей. z – определяет тип источника излучения и тип оптического кабеля: – 1 – источник на 1310 нм и одномодовый кабель с волокном по Рек. МСЭ-Т G.652; – 2 – источник на 1550 нм и одномодовый кабель с волокном по Рек. МСЭ-Т G.652; – 3 – источник на 1550 нм и одномодовый кабель с волокном по Рек. МСЭ-Т G.653; – 5 – источник на 1550 нм и одномодовый кабель с волокном по Рек. МСЭ-Т G.655.