Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

точки. Конфигурации сетей связи сложнее; наиболее типичны соединения типа «шина», «кольцо», «звезда» (рис. 9.18). В этих случаях расчет соответственно усложняется.

Все созданные ВОЛС используют приемники прямого детектирования, которые не являются оптимальными. С 1980 г. начались исследования по перенесению принципа гетеродинного приема в область оптических частот. Структурная схема гетеродинного фотоприемника (рис. 9.19) содержит такие дополнительные элементы, как опорный лазер, оптический смеситель в виде полупрозрачного зеркала, полосовой фильтр с комплексным коэффициентом передачинастроенным на частоту биений

Гетеродинный фотоприем имеет ряд принципиальных преимуществ перед прямым детектированием. Во-первых, улучшается отношение сигнал-шум, поскольку при достаточной мощности гетеродина уровень приема ограничивается только дробовыми шумами принимаемого сигнала. Во-вторых, становится возможным применение таких помехоустойчивых видов модуляции, как частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ), тогда как при прямом детектировании ж>

Рис. 14. Блок-схема оптического супергетеродинного приемника:

=Ф- — оптический сигнал; —* — электрический сигнал пользуется лишь амплитудная модуляция. Оба обстоятельства ведут к повышению избирательности и чувствительности; в ряде случаев выигрыш может достигать 10 дБ. Поэтому может быть либо увеличена длина межретрансляционного участка, либо повышена скорость передачи информации.

Важным достоинством гетеродинирования является также возможность переноса операции разделения каналов передачи многоканальной системы связи в радиочастотный диапазон, где она осуществляется более простыми и отработанными средствами, чем в оптическом диапазоне.

Однако оптическое гетеродинирование требует преодоления

значительных технических трудностей. Прежде всего резко повышаются требования к когерентности и стабильности (долговременной и кратковременной) используемых в передатчике и гетеродине лазеров. Становится обязательным применение внутреннего или внешнего резонатора, обеспечивающего избирательность мод, введение термостатирования и широкополосных устройств стабилизации несущей частоты. В приемнике появляется новый диапазон промежуточных частот, в котором и осуществляется основная обработка принятого сигнала.

Гетеродинирование, дающее существенное повышение качественных показателей ВОЛС, требует создания новой элементной базы.

2. Основные типы современных световодов

Основные типы современных световодов имеют апертурный угол A в пределах от11,5 до 17 градусов (рис.2.)

В ступенчатом одномодовом волокне (Standart Fiber) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает высокую пропускную способность в этих окнах прозрачности.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (Disperrsion-Shifted Fiber) длина волны, на которой реализующая дисперсия обращается в 0, - длина волны нулевой дисперсии  0 - смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), в отличие от DSF, оптимизировано для передачи не одной, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей “полностью оптических сетей” - сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования линейных широкополосных оптических усилителей. Линейные усилители типа EDFA (эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волкна) эффективно могут усиливать сигнал в своем рабочем диапазоне от 1530-1560 нм. Длина волны нулевой дисперсии у волокна ZNDSF, в отличие от волокна DSF, выведена за пределы этого диапазона, что значительно ослабляет влияние нелинейных эффектов в окрестности точки нулевой дисперсии при распространении нескольких длин волн. В стандартном многомодовом градиентном волокне диаметр светонесущей жилы на порядок больше длины волны передачи. В ступенчатых многомодовых волокнах траектории лучей отдельных мод имеют вид зигзагообразных линий.

В градиентном световоде показатель преломления плавно снижается по мере удаления от оси по закону, близкому к квадратичной параболе. Траектория распространения большинства лучей представляют собой плавные кривые. Если сравнивать многомодовые волокна между собой, то градиентное волокно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатые, по дисперсии. Главным образом это связанно с тем, что межмодовая дисперсия

в градиентном волокне – основной источник дисперсии – значительно меньше, чем в ступенчатом, что приводит к увеличению пропускной способности у градиентного волокна.

а) Ступенчатое многомодовое волокно

б) Ступенчатое одномодовое (слева)

в) Одномодовое волокно волокно со смещенной дисперсией или NZDSF (справа)

Рис. 15. Типы оптических волокон

В многомодовом волокне используется окно прозрачности 850 и 1310 нм.

Основные стандарты, использующиеся в ВОЛС

многомодовое градиентное волокно 50/125

многомодовое градиентное волокно 62,5/125

одномодовое градиентное волокно >SF 8-10/125

одномодовое волокно со смещенной дисперсией 8-10/125

одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (схоже с предыдущим типом) (табл.1).

Таблица 2.1

Стандарты оптических волокон и области их применения

Волокно
Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
Стандарт	Область применения	Стандарт	Область применения
ММF 50/125 Градиентное волокно	ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	SF (NDSF) Cтупенчатое волокно	Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM, магистрали SDH)
MMF 62.5/125 Градиентное волокно	ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	DSF Волокно со смещенной дисперсией	Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM)
		NZDSF Волокно с ненулевой смещенной дисперсией	Сверхпротяженные сети, супермагистрали(SDH, ATM), полностью оптические сети

3. ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ

3.1. Свет и его основные свойства

Спектр электромагнитных излучений представлен на рисунке. К оптическому диапазону традиционно относят электромагнитные волны длиной м. Однако практически из данного диапазона средствами оп-тоэлектроники используется область 0,1-100 мкм. Это обстоятельство не является случайным. По энергетической шкале данному диапазону соответствует область энергий 0,01-10 эВ. Кванты света с такой энергией способны возбуждать только валентные электроны в собственных и примесных полупроводниках. Действительно, ширина запрещенной зоны широкозонных полупроводников составляет единицы электронвольт, а энергия возбуждения примесных атомов в германии и кремнии - сотые доли электронвольт. Вне этого интервала энергий взаимодействия света с веществом носят качественно иной характер. Так, при углублении в коротковолновую область спектра начинает сказываться возбуждение электронов внутренних оболочек атома, а в длинноволновой области, когда фотоны уже не способны ионизировать атомы вещества, их воздействие проявляется в виде экситонной и фотонной генерации. Весь оптический диапазон разбит на три основные области:

1)0,75 мкм - инфракрасная (ИК);

2) 0,3950,75 мкм - видимая (видимый свет);

3)0,395 мкм - ультрафиолетовая (УФ).

Каждая из этих областей делится на несколько поддиапазонов (см. рис. 1.1).

Как известно, свет обладает одновременно волновой и корпускулярной природой. В волновом аспекте он представляет собой электромагнитные колебания, излучаемые атомами вещества при изменении их энергетического состояния. Эти волны распространяются в вакууме со скоростью с = 299792458 м/с, а в веществе с меньшей скоростьюгде показатель преломления среды. Частота V и длина волны А. связаны соотношениемт.е. в вакууме

Световая монохроматическая волна создается взаимно ортогональными и синусоидально изменяющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, перпендикулярными направлению ее распространения. Световая волна может быть когерентной, если все атомы вещества излучают волны, фаза и направление распространения которых совпадают, либо некогерентной, если каждый атом излучает оптическую волну, имеющую независимые фазу и направление распространения, случайным образом меняю щиеся во времени. Фотоны рассматриваются как корпускулы, когда речь идет о взаимодействии света с веществом. В этом случае монохроматическое излучение можно представить как поток элементарных частиц, каждая из которых обладает элементарной энергией, где= 6,626 • 10-34 Дж • с - постоянная Планка. В веществе электроны связаны с атомами, и чтобы стать свободными, они должны получить энергию, равную энергии их связи. При поглощении фотона атомом происходит освобождение электрона, если т.е.. Максимальная длина волны излучения, способная вызвать освобождение электрона, называется пороговой длиной волныт. е.[мкм] = 1,237/[эВ].

Таблица 3.1 Основные энергетические и фотометрические величины

Рис. 3.1. Спектр электромагнитных излучений [1]

3.2 Энергетическая фотометрия

Величины, относящиеся к оптическому излучению, можно оценивать либо с учетом произведенного зрительного впечатления (визуальная фотометрия), либо исключительно по количеству энергии, ее распределению в пространстве и времени (энергетическая фотометрия). Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения- средняя

мощность, передаваемая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний.

Спектральный состав излучения характеризуется спектральным распределением потока излучения - функцией. Таким образом, мощность, переносимую потоком излучения во всем интервале длин волн, определяют

(1.1)

Основные величины, характеризующие энергетические и визуальные параметры оптического излучения, приведены в табл. 1.1 [2, 3].

В некоторых случаях, когда в качестве основного параметра при описании энергетической системы принимают энергию излучения, связь энергии с потоком излучения можно записать в дифференциальной форме

Оба варианта описания равнозначны и отличаются разве что формой написания основных формул. Рассмотрим подробнее основные фотометрические величины.

Энергетическая сила света (сила излучения) - пространственная плотность потока излучения, определяемая отношением потока излученияк телесному углу(в стерадианах), в пределах которого заключен этот поток

где- телесный угол, имеющий в вершине источник излучения, определяется как отношение площади сферической поверхностивнутри конуса этого угла к квадрату радиуса сферы (рис. 1.2)

Энергетическая светимость Мс(поверхностная плотность потока излучения) - поток излучения, отнесенный к единице площади излучающей поверхности

где- площадь поверхности источника излучения. Необходимо отметить,

что светимость недостаточно полно характеризует параметры излучателя, и для полной характеристики необходимо знать направленность потока излучения.

Энергетическая яркость -сила излучения с единицы излучающей поверхности в данном направлении, отнесенная к площади ортогональной проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную указанному направлению (рис. 3.2)

,(1.6)

где- угол между нормалью К излучающей поверхности и направлением, в котором производится изме-

„с. 3.2. Пояснения к определению силы света

рение силы излучения;- энергетическая сила света в направлении

- площадь элемента поверхности источника. Необходимо отметить, что яркость не является основной характеристикой источника. Например, у двух излучателей, обладающих одинаковой яркостью, но разной площадью светящейся поверхности, можно с помощью оптической системы уравнять наблюдаемые площади свечения. В этом случае излучатель с большей активной площадью окажется ярче в число раз, равное отношению (если

принять).

Энергетическая освещенность (плотность мощности) - мощность потока излучения, приходящаяся на единицу площади облучаемой поверхности

(1.7)

где- площадь облучаемой поверхности.

В случае, когда приходится иметь дело с равнояркими источниками, для определения силы света и потока излучения от тел простой формы легко получить следующие расчетные формулы:

Рис. 1.4. Диаграммы направленности равноярких излучателей: а - плоского; б - шарообразного; в – цилиндрического

для плоской излучающейв одну сторону площадки (рис. 1.4, а)

для шара диаметром(рис. 1.4, б)

для цилиндра с неизлучающимиторцами (рис. 1.4,в)

Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется выражениями

3.3 Визуальная фотометрия

При определении мощности излучения по производимому им световому ощущению, т.е. по реакции глаза человека, пользуются световым потоком и другими соответствующими величинами (см.табл.1.1). Причем учет чувствительности глаза к различным участкам видимого спектра производится с помощью кривой относительной спектральной световой эффективности У(Х) (старое название - кривая дневной видности) (рис. 1.5).

Для длины волны= 0,555 мкм эта чувствительность максимальна:= 1,0. Различные величины в визуальной фотометрии можно оценить умножением соответствующей энергетической величины на коэффициент где- кривая видности, а - эмпирический коэффициент, который взят из определения канделы*. Тогда

для монохроматического излучения с диной волныможно записать

Для непрерывного спектра излучений полный поток можно получить суммированием потоков, соответствующих различным длинам волн спектра

где величинапредставляет собой поток заключенный в диа-

пазоне от Если в качестве пределов интегрирования подставить

значения 0,38 и 0,76 мкм, соответствующие границам видимого диапазона, то можно оценить эффективный поток для человеческого глаза. Аналогичным образом может быть проведена оценка и для любого другого селективного фотодетектора. В этом случае в формулу (1.17) необходимо подставить вместо кривой видностифункцию относительной спектральной чувст-

вительности детектора

Выражения, аналогичные (1.16) и (1.17), можно записать для любой величиныв визуальной фотометрии из соответствующей ей энергетической величиныТогда для монохроматическогоизлучения

а для непрерывного спектра излучений, заключенного между длинами волн соответственно имеем

В таб. 1.2 приведены оценочные значения величин яркости и освещенности, создаваемых различными источниками света.

4. ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1 Классификация приемников излучения

Приемник оптического излучения (фотоприемник, ФПМ) - это опто-электронный прибор, предназначенный для приема и преобразования оптического излучения в какие-либо другие виды энергии. По механизму преобразования энергии можно разбить на три основные группы (рис. 2.1) [4,5]:

фотоэлектрические, работающие на основе внутреннего и внешнего фотоэффекта:

тепловые, преобразующие оптическую энергию сначала в тепловую, а потом в электрическую или какую-либо иную;

фотохимические, преобразующие энергию излучения в энергию химических реакций.

4.2 Параметры и характеристики ФПМ

Для описания технических свойств ФПМ с целью их эффективного применения разработана система параметров и характеристик - ГОСТ 21934-83 и ГОСТ 20526-82. В этом разделе рассмотрим те из них, которые наиболее важны при разработке электронных устройств на основе оптоэлек-тронных приборов [6, 7].

2.2.1. Параметры напряжений, сопротивлений и токов ФПМ

Рабочее напряжение- постоянное напряжение, приложенное к ФПМ, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе.

Темновой ток- ток, протекающий через ФПМ при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.

Фототок- ток, проходящий через ФПМ при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

Общий ток- ток ФПМ, состоящий из темнового тока и фототока.

Напряжение (ток) фотосигнала- изменение напряжения (тока) на ФПМ, вызванное действием на ФПМ потока излучения источника фотосигнала.

Темновое сопротивление- сопротивление ФПМ в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Световое сопротивление- сопротивление ФПМ при воздействии на него потока излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Рис. 2.1. Классификация приемников оптического излучения

4.2.2 Параметры чувствительности фотоэлектронных приборов

1. Чувствительность- отношение изменения значения электрической величины на выходе ФПМ, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной. Наиболее часто используются:

чувствительность ФПМ к потоку излучения;

чувствительность к световому потокуили

чувствительность к облученности;

чувствительность к освещенностиили

вольтовая чувствительность

токовая чувствительность

Интегральная чувствительность- чувствительность ФПМ к излучению данного спектрального состава.

Монохроматическая чувствительность- чувствительность ФПМ к монохроматическому излучению.

Наклон люксометрической характеристики фоторезистора- тангенс угла наклона линейного участка люксометрической характеристики, построенной в двойном логарифмическом масштабе.

4.2.3 Пороговые и шумовые параметры ФПМ

Напряжениешума ФПМ - среднее квадратичное значение флуктуации напряжения (общего тока) в цепи ФПМ в заданной полосе частот.

Порог чувствительности- среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФПМ модулированного потока излучения сигнала с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадратичному значению напряжения (тока) шума в заданной полосе на частоте модуляции потока излучения.

3. Порог чувствительности в единичной полосе частотили ЫЕР
среднее квадратичное значение первой гармоники действующего на ФПМ
модулированного потока излучения источника фотосигнала с заданным
спектральным распределением, при котором среднее квадратичное значение
первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднему квадра
тичному значению напряжения (тока) шума, приведенному к единичной по
лосе на частоте модуляции потока излучения.

4. Удельный порог чувствительностиили - порог чувствительности, приведенный к единичной полосе частот и единичному по площади фоточувствительному элементу.

5. Обнаружительная способность- величина, обратная порогу чувст вительности,