Выпускная квалификационная работа «Разработка устройства управления лазерным диодом для передачи сигнала по одноволоконному оптическому кабелю со скоростью 2,048 Мбит/с» (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

«Разработка устройства управления лазерным диодом для передачи сигнала по одноволоконному оптическому кабелю со скоростью 2,048 Мбит/с»

Руководитель:

Автор квалификационной работы:

Санкт-Петербург

2004

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современная эпоха характеризуется стремительным процессом информатизации общества. Волоконно-оптическая техника обеспечила современный революционный прогресс телекоммуникационных и информационных технологий, резко увеличив пропускную способность и экономическую эффективность не только сетей связи, но и специализированных вычислительных сетей, значительно расширив области применения систем передачи информации.

Используя оптическое волокно, можно обеспечивать передачу стремительно растущих объёмов информации на уровне сетевых магистралей, поэтому поставщики средств связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации как на короткие, так и на значительные расстояния.

Телекоммуникационные информационные сети постепенно превращаются в сети, у которых элементами между узлами являются волоконно-оптические линии связи.

Передача информации по ВОЛС имеет ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Традиционные технологии, основанные на применении медного кабеля или микроволновой передаче, имеют существенные недостатки и уступают по характеристикам волоконной оптике. Например, медные кабели характеризуются ограниченной скоростью передачи информации и подвержены влиянию внешних полей. Микроволновая передача, хотя и может обеспечить достаточно высокую скорость передачи информации, требует использования дорогостоящего оборудования и ограничивается зоной прямой видимости.

("1") Волоконная оптика позволяет передавать информацию с существенно более высокими скоростями по сравнению с медными кабелями и имеет гораздо более приемлемую стоимость и меньше ограничений, чем микроволновая технология. Волоконно-оптические линии превосходят по своим характеристикам аналоги, основанные на медном кабеле; нужно учитывать, что технологические возможности медных кабелей имеют меньший потенциал развития, чем волоконно-оптическая технология.

Достоинства ВОЛС

Малый вес и объем – волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Наряду с стационарными ВОЛС, малый вес и объем волоконно-оптического кабеля упрощает прокладку кабеля в грунт, допускает подвеску на ЛЭП, позволяет организовывать мобильные нестационарные линии для альтернативной связи

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в сек. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне - выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0.2-0.3 дБ на длине волны 1.55 мкм в расчете на один км. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, и обеспечить высокую скорость передачи информации, без использования сложных помехоустойчивых кодов.

Высокая помехозащищенность – поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т. д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущего многопарным медным кабелям.

Гальваническая развязка элементов сети – данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических “ земельных ” петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземление в разных точках здания. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование, у волокна этой проблемы нет.

Взрыво - и пожаробезопасность - из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Удаленное электропитание - в некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется в России и за рубежом.

Длительный срок эксплуатации – благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, процесс деградации (изменение затухания волокна во времени) значительно замедлен, и срок службы волоконно-оптического кабеля составляет примерно 25 лет.

Секретность – перехват информации осуществляется либо путем подсоединения к проводу, или перехватом радиоволн, излучаемых работающим оборудованием или кабелем. Оптическое волокно является сверхбезопасной средой для передачи информации. Оно не излучает волны, которые могут быть получены близкорасположенной антенной, кроме того, подсоединиться к оптоволокну крайне тяжело.

Экономичность ВОК – волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, - широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5 . При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические системы имеют также недостатки:

Стоимость интерфейсного оборудования - электрические сигналы должны преобразовываться в оптические и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линий связи также требуется высоконадежная специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсов на подключение - отключение, оптические разветвители, аттенюаторы.

Монтаж и обслуживание оптических линий - стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

Требования специальной защиты волокна - теоретически оптическое волокно прочно. Стекло, как материал, выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1 ГПа (10 в 9 Н/м в 2). К сожалению на практике это не достигается. Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно не было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например нитями на основе кевлара. Если требуется удовлетворить еще более жестким условиям на разрыв кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Но все это влечет к увеличению стоимости оптического кабеля.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, дальнейшие перспективы развития технологии ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны. Вероятнее всего, многие из недостатков будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.

Значение каждого из указанных выше преимуществ зависит от конкретного применения. В некоторых случаях широкая полоса пропускания и низкие потери являются определяющими факторами, в других случаях важнее безопасность и секретность, достигаемые при использовании волоконной оптики.

Широкая полоса пропускания, низкие потери и невосприимчивость к электромагнитным полям характерны для волоконной оптики. Эти особенности органично согласовываются, позволяя передавать данные с высокой скоростью на большие дистанции и с небольшим числом ошибок. В действительности, не все оптические кабели имеют низкие потери и широкую полосу пропускания. В тех случаях, когда потери и высокие скорости не являются критическими, достаточно хорошо работают более дешевые оптические линии. Уникальные характеристики оптического волокна делают его наиболее подходящей передающей средой во множестве различных областей техники, в частности для организации оперативной связи передвижными объектами.

("2") Наряду с традиционными областями применения волоконной оптики в качестве среды для передачи информации:

- магистральные линии связи;

- сети абонентского доступа;

- локальные сети,

появляются такие нетрадиционные области применения как:

- передача сигнала сейсмо - и геологоразведки;

- обеспечение связи в условиях повышенных электромагнитных помех (телефонные каналы);

- связь без опасности искрообразования (в условиях нефтяных скважин и горных разработок);

для оперативного подключения передвижного информационного оборудования к узлам и линиям магистральных сетей.

ГЛАВА 1. АППАРАТУРА ОПЕРАТИВНОЙ ВОЛС

1.1. Назначение

Аппаратура волоконно-оптической линии связи предназначена для оперативной организации дуплексной связи на полевом одноволоконном оптическом кабеле (ПЛОК) между двумя устройствами связи.

Комплекс аппаратуры обеспечивает передачу цифрового потока 2,048 Мбит/с на максимальное расстояние до 8 км при коэффициенте ошибки не хуже 10-9.

Сетевое оборудование сопрягается с системой передачи по электрическому стыку Е1 (скорость передачи 2,048 Мбит/с), удовлетворяющему требованиям ГОСТ .

Система передачи по одномодовому волокну предназначена для круглосуточной непрерывной работы на открытом воздухе или во временных сооружениях при работе от внешнего источника постоянного.

1.2. Принцип работы и структурная схема

Система передачи по одномодовому волокну представляет собой преобразователь электрического сигнала Е1 цифровой системы передачи в оптический, который передается по волоконно-оптическому кабелю, затем преобразуется из оптического сигнала в электрический сигнал Е1. Передача и прием цифрового потока Е1 производится одновременно по одному полевому одномодовому оптическому кабелю. Передача и прием осуществляются на длине волны 1,3 мкм. Волоконно-оптический кабель намотан на полевые катушки типа “ТК-2”. На рис.1.1. показана структурная схема системы передачи по одномодовому волокну.

Рис.1.1. Структурная схема системы передачи по одномодовому волокну.

А1, А2 – приемо-передающее устройство.

("3") B1, B2 – источник постоянного тока.

Изделие состоит из двух приемо-передатчиков оптических А1, А2, волоконно-оптической линии, максимальная длина которой равна 8 км и электрических кабелей, соединяющих А1 и А2 с коммутаторами цифрового канала связи.

Питание каждого приемо-передатчика осуществляется либо от внешнего источника постоянного тока либо от размещенного в аккумуляторном отсеке полевой аппаратуры линейного тракта (ПАЛТ) (А1 и А2) аккумулятора, обеспечивающего работу ПАЛТ при отсутствии внешнего питания.

Приемо-передатчик оптический А1 (направление передачи) преобразует электрические сигналы Е1 (2,048 Мбит/с, код HDB-3), полученные от устройства связи А, в оптический сигнал (код CMI), который через устройство разделения каналов попадает в линейный оптический кабель. В приемопередатчике Б, принятый оптический сигнал, преобразуется в электрический, регенерируется и поступает по стыку Е1 в устройство связи Б.

В А1 осуществляется проверка наличия сигнала Е1 на входе А1 и количество ошибок принимаемого сигнала на выходе А1.

В А1 размещен преобразователь внешнего питания (10,5 – 30) В в напряжение

5 В и 3,3 В.

В оптических приемо-передатчиках А1 и А2 оценивается состояние и качество входящих и выходящих сигналов и формируются сигналы индикации:

“КОММУТАТОР 1” – наличие сигнала Е1 на входе “КОММУТАТОР 1” ПАЛТ;

“ЛИНИЯ 1” - наличие оптического сигнала на входе “ЛИНИЯ 1” ПАЛТ;

“Ош. 10-6 1” - наличие ошибки более или равной 1 х 10-6 на оптическом входе ПАЛТ “ЛИНИЯ 1”. Ошибка определяется по нарушению кода во входном сигнале.

Кроме того из А1 выводится сигнал “+5” В, подтверждающий наличие питания +5 В на выходе вторичного источника тока и сигналы “ЗАРЯД” и “РАЗРЯД”, сигнализирующие о состояние встроенной аккумуляторной батареи.

Напряжение от бесперебойной сети или от встроенной аккумуляторной батареи преобразуется в постоянное напряжение +5 В.

В А1 и А2 размещены подзарядные устройства, позволяющее подзаряжать аккумуляторные батареи при наличии бесперебойной сети. Для этого напряжение бесперебойной сети подается на преобразователь напряжения бесперебойной сети в постоянное напряжение 15 В, которое используется для подзарядки аккумуляторных батарей. Аккумулятор подзаряжается как при включенном так и при выключенном ПАЛТ. При наличии бесперебойной сети формируется сигнал “ЗАРЯД”, если аккумуляторная батарея подзаряжается и формируется сигнал “РАЗРЯД”, если аккумуляторная батарея разряжена до 10 В.

Аккумулятор 10 НКГЦ-3,5-1 – напряжение 12 В, емкость 3,5 Ач – обеспечивает работу ПАЛТ в течение 8 ч непрерывной работы. При работе ПАЛТ от внешнего источника тока аккумулятор подзаряжается током порядка 50 мА. Полностью герметичная конструкция аккумулятора позволяет использовать его в любом положении, утечка электролита исключена.

1.3. Конструкция полевой аппаратуры линейного тракта

Конструктивно ПАЛТ состоит из лицевой панели, кожуха и корпуса, к которому прикрепляется аккумуляторный отсек. Лицевая панель, кожух и корпус стянуты между собой винтами и между ними проложены резиновые прокладки, обеспечивающие герметичность конструкции.

На лицевой панели прибора размещены светодиоды индикации, отображающие рабочее состояние ПАЛТ, оптические разъем “ЛИНИЯ 1” и разъем электрического стыка Е1 с внешним устройством “КОММУТАТОР 1”.

На корпусе прибора размещен тумблер включения питания “ВКЛ” и клеммы “БС”, “+” и “−” для подключения внешнего источника питания.

Аккумуляторный отсек крепится к корпусу двумя замками, позволяющими оперативно менять аккумуляторы.

("4") Аккумуляторный отсек и корпус не имеет между собой герметичной прокладки, что обеспечивает естественную вентиляцию аккумуляторного отсека.

В составе ВОСП входят катушки с намотанными на них строительными длинами волоконно-оптического кабеля длиной 0,5 км (ПЛОК-0,5). Строительные длины ПЛОК армированы по концам полевыми оптическими соединителями. Катушка состоит из барабана, внутри которого размещен узел крепления одного конца с кабелем, разделенным в оптический соединитель (разъем), и щечек, стянутых между собой шпильками.

Разъем фиксируется внутри барабана между двумя пружинами. Одна пружина в виде стальной проволочки закреплена на щечке барабана, другая, цилиндрическая, размещена внутри и прижимает разъем к щечке барабана.

Кабель наматывается на барабан внавал, второй конец кабеля закрепляется в брезентовом чехле, прикрепленном к шпильке стягивающей щечки.

На одной щечке катушки имеются отверстия, через которые разъем и часть кабеля (около 200 мм) выводятся из барабана. На другой щечке размещена ручка для вращения барабана и фиксатор, позволяющий фиксировать барабан в нужном положении.

1.4. Основные технические характеристики и состав полевой аппаратуры линейного тракта

Параметры станционного стыка на выходе ППО на нагрузке с волновым сопротивлением 120 Ом отвечают требованиям ГОСТ и приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Номинальная форма импульсов сигнала стыка	прямоугольная
Номинальное напряжение импульса стыкового Сигнала любой полярности на нагрузочном Сопротивлении (120±1) Ом	3 В
Пиковое напряжение пробела (не импульс)	≤0,3 В
Выходное сопротивление	(120±20%) Ом
Номинальная длительность импульса	244 нс
Отношение амплитуд импульсов разной полярности в середине тактового интервала	0,95 … 1,05
Отношение длительности импульсов разной полярности на уровне номинальной амплитуды	0,95 … 1,05

("5") Таблица 2. Технические характеристики

1. Мощность оптического сигнала на выходе	0 дБм
2. Чувствительность приемного устройства	34 дБм
3. Протяженность	5 км

ГЛАВА 2. ОБЗОР ПЕРЕДАЮЩИХ И ПРИЕМНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

2.1. Обзор организации ВОЛС

Известно, что емкость ВОСП возрастает в 4 раза каждые 18 месяцев. Из всех средств, имеющихся в нашем распоряжении, только оптоволокно удовлетворяет этим потребностям роста

2.1.1. Пути повышения пропускной способности ВОСП

Существует два пути повышения пропускной способности:

Установить новый кабель с большим числом волокон или использовать имеющиеся темные волокна. Применить технологию мультиплексирования с разделением по длине волны на уже имеющемся волокне или на новом проложенном волокне.

Практически при каждом таком рассмотрении преимущество будет на стороне выбора технологии WDM, учитывая стоимость прокладки нового кабеля, особенно для длинных кабельных систем.

На ранней стадии применения ВОСП каждая работающая жила оптоволокна передавала один поток бит (практически каждая ВОСП содержит темные волокна, некоторые владельцы ВОК сдают их в аренду). Техника ВОСП развивалась так, что сначала осваивался диапазон несущей 1310 нм, а потом ~ 1550 нм. Следовательно, битовый поток передавался на некоторой длине волны этого диапазона волн. С возрастанием требований на емкость систем передачи развивалась и технология передачи в этом диапазоне волн. Когда стали осваивать диапазон длин волн 1550 нм, то следующий (второй) битовый поток был помещен в этом диапазоне. Следовательно, мы имели грубый, но эффективный вариант раннего WDM, а именно двухканальную систему. Концепция этой системы показана на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Концептуальная блок-схема двухволновой системы WDM. На начальном этапе эти две волны соответствовали: = 1310 нм и = 1550 нм

Фильтры, на основе технологии тонких пленок, блокируют передачу энергии нежелательного спектра сигнала и позволяют пропустить энергию желаемого спектра сигнала.

2.1.2. Основы WDM-систем

Пара мультиплексор-демультиплексор является основой для системы WDM. Как показано на рис. 2.6, мультиплексор может быть просто комбайнером — устройством объединения нескольких несущих длин волн. Демультиплексор — напротив, выполняя обратную операцию, может быть совсем другим. Он должен выделять отдельные длины волн из агрегированного потока. Следовательно, демультиплексор требует использования механизма селекции длин волн. Эти механизмы делятся на две широкие категории: демультиплексоры на основе дифракции и демультиплексоры на основе интерференции.

Демультиплексоры на основе дифракции используют элементы с угловой дисперсией, такие как дифракционные решетки, которые пространственно диспергируют падающий луч на различные составляющие длины волн. Принцип действия такой решетки показан на рис. 2.7. Демультиплексор на основе интерференции использует свойства таких устройств, как направленные разветвители и оптические фильтры. Благодаря присущим им свойствам взаимности оптических волн в диэлектрической среде, эти устройства могут быть использованы как мультиплексоры и демультиплексоры в зависимости от направления распространения.

("6") Рис. 2.7. Принцип действия дифракционной решетки с угловой дисперсией и фокусирующей линзой, используемой в качестве демультиплексора.

Необходимым элементом систем WDM является оптический усилитель типа EDFA. Достаточно высокий (20-25 дБ) коэффициент усиления усилителя EDFA позволяет компенсировать потери, вносимые пассивными элементами мультиплексора и демультиплексора, включая многие из устройств, описанных ниже. Если допустить, что мультиплексор и демультиплексор могут (каждый) вносить потери порядка 6 дБ, то мы уже имеем потери порядка 12 дБ. При увеличении числа каналов WDM потери начинают значительно расти. Потери расщепителя на разделение двух каналов равны 3 дБ, четырех каналов — 6 дБ и т. д. Вторичным эффектом этого является то, что мы привязаны к полосе 1нм - рабочей полосе усилителей EDFA. Организация ITU-T разработала для этой полосы стандартизованную сетку частот с шагом между каналами 200/100/50 ГГц и возможностью его снижения до 25 ГГц.

Даже будучи ограничены полосой нм, можно ожидать к 2004 году размещения в системе DWDM 160 каналов, каждый из которых передает 40 Гбит/с.

2.1.3. Волоконно-оптические циркуляторы

В отличие от двух портовых оптических изоляторов, имеющих один вход и один выход (т. е. они двух портовые), оптические циркуляторы являются 3- или 4-портовыми. т. е. они могут иметь один вход и два выхода, или два входа и два выхода. Распределение излучения между этими портами определяется направлением распространения. На рис. 2.8 а и б представлены схемы соответственно 3- и 4-портовых циркуляторов.

Циркулятор, соответствующий рис. 2.8а (Y - циркулятор), обладает следующими свойствами: излучение, входящее в порт 1, проходит к порту 2; однако, излучение, введенное в порт 2, не возвращается в порт 1, а проходит в порт 3, излучение, введенное в порт 3, в порт 2 не проходит.

Рис. 2.8. Схемы оптических циркуляторов

Циркулятор, выполненный по схеме рис. 2.86, обладает следующими свойствами: излучение, введенное в порт 1, проходит к порту 2; излучение, введенное в порт 2. выходит из порта 3; излучение, введенное в порт 3, проходит в порт 4, а введенное в этот порт 4 - выходит из порта 1. Собственно говоря, этот тип циркулятора представляет собой два циркулятора Y-типа, соединенные параллельно. Принцип работы оптического циркулятора аналогичен принципу работы изолятора. Отличие состоит в том, что кроме элементов, имеющихся в изоляторе, в циркулятор введена трехгранная призма, которая пропускает излучение в одном направлении по прямой, и в противоположном - отклоняет его на 90°. Оптические циркуляторы имеют следующие характеристики: вносимые потери <1,2 дБ, изоляция >40 дБ, перекрестные помехи <-59 дБ. обратные отражения <-50 дБ, поляризационная чувствительность - менее 0,2 дБ.

2.2. Обзор передающих оптоэлектронных модулей

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения.

2.2.1. Типы и характеристики источников излучения

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

- излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

- источник излучения должен обладать достаточным быстродействием, то есть обеспечивать частоту модуляции, необходимую для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

- источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

- источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не настолько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам;

- температурные колебания не должны сказываться на функционировании источника излучения.

- стоимость источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

("7") Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, рис. 2.1. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Рис.2.1. Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов.

2.2.2. Светоизлучающие диоды

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значительно шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рис. 2.2.

Рис.2.2. Гетероструктура.

Носители заряда - электроны и дырки - проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (р - и η-слоя) вследствие подачи напряжения на p-η структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Соответствующий композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку.

2.2.3. Лазерные диоды

У лазерного диода есть два главных конструктивных отличия по сравнению со светодиодом. Первое, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор. Второе, лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1-2 нм) против 30-50 нм у светодиодов, рис. 2.1.

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рис.2.3.

Рис.2.3. Ватт-амперные характеристики:

1 - лазерного диода; 2 – светодиода.

В магистральных ВОЛС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L = 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой длиной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС волоконно-оптический кабель содержит ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет). На длине волны 1,55 мкм удельная хроматическая дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм-км. А поскольку полоса пропускания обратно пропорциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно только уменьшая ширину спектра излучения лазера. Итак, для того чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра излучения передатчиков как можно меньше.

2.2.4. Другие характеристики

Также важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения.

Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т. е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания и спада мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов - значительно больше (несколько ГГц).

("8") Деградация и время наработки на отказ.

По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются - падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов. Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

2.2.5. Основные элементы ПОМ

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис.2.4.

Рис.2.4. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ)

Рассмотрев все возможные источники излучения, и основываясь на их характеристиках, предпочтительней использовать лазерный диод, в качестве источника излучения для передающего модуля.

2.3. Обзор приемных оптоэлектронных модулей

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция - преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.