Модуляторы передатчика
Для передачи информации по линии связи оптическое излучение источника необходимо модулировать. Эта модуляция
(в форме прямоугольных импульсов, соответствующих битам информации) должна быть линейной, чтобы в выходном спектре не появились дополнительные гармоники. Такие искажения могут привести к помехам при демодуляции на приемном конце линии связи.
Наиболее распространенным является модуляция интенсивности несущей частоты. При скоростях передачи до
2,5 Гбит/с используется импульсная модуляция тока накачки источника излучения. При более высоких скоростях модуляция интенсивности (включение/выключение) светового сигнала обеспечивается с помощью быстродействующих управляемых оптических затворов.
Стабилизаторы длины волны
Стабилизаторы длины волны
– это устройства, вырабатывающие сигнал ошибки с амплитудой пропорциональной сдвигу длины волны лазерного источника излучения от номинального значения канального плана ITU. В основе большинства методов стабилизации используется сравнение уровня оптической мощности излучения, пропускаемого через узкополосные оптические фильтры, полоса пропускания которых охватывает с обеих сторон опорную длину волны.
10. Характеристики компонент систем волнового уплотнения. Передатчики-методы модуляции – внутренняя (токовая) и внешняя (интерферометры Маха-Цендера, электрооптическая). Одним из основных методов модуляции оптического излучения является управление током накачки источников лазерного излу- чения, что требует обеспечения стабильности рабочей точки и снижения влияния нелинейной зависимости мощности излучения от тока через излучатель.
Акустооптические модулятор Акустооптические модуляторы широко используются в волоконной оптике благодаря трем основным свойствам: возможности переключения луча по двум направлениям; модуляции интенсивности оптического луча; возможности смещения оптической частоты.
Принцип действия акустооптического модулятора основан на зависимости показателя преломления оптических материалов
(LiNb0 3 ниобат лития) от внешнего давления. В модуляторах давление создается акустическими волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем и образующими дифракционную решетку Брэгга.
Электрооптические модуляторы Наиболее распространенным оптическим модулятором является ячейка Поккельса, принцип действия которой основан на электрически возбуждаемом в определенных кристаллах двулучепреломлении. В зависимости от того, параллельно или перпендикулярно относительно распространяемой в кристалле световой волны приложено электрическое поле, ячейки
Поккельса делятся на ячейки продольного или поперечного типа. В исходном состоянии, когда к ячейке не приложено напряжение, она прозрачна для светового луча, и он блокируется анализатором, так как он расположен под углом 90 к поляризованному входному излучению. При увеличении напряжения осуществляется преобразование линейного состояния поляризации входного луча в одно из следующих состояний: круговое, эллиптическое или линейное. При достижении максимального напряжения ячейка осуществляет полуволновое замедление, вращая входную поляризацию на
90°. В этом случае анализатор становится
полностью прозрачным для выходного луча, и входное излучение поступает на выход устройства. Таким образом, напряжение, приложенное к ячейке Поккельса, определяет уровень мощности оптического сигнала на выходе устройства, а его изменение приводит к модуляции световой волны.
Ячейки Поккельса позволяют осуществлять модуляцию распространяющейся световой волны в полосе частот от 0 Гц до
1 ГГц и выше, при этом глубина модуляции может достигать значений более 99.9%. Отрицательная сторона обычных ячеек
Поккельса заключается в использовании высокого модулирующего напряжения.
Модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера В оптике интерферометры Маха-Цендера используются для измерения показателя преломления оптических материалов и содержат два оптических канала, реализуемых при волоконно- оптическом исполнении на двух ответвителях и двух оптических волокнах, одно из которых управляемое. При взаимодействии электрических полей оптического излучения, распространяемого по этим каналам, возникает интерференция, результат которой затем анализируется. Подобно всем интерферометрическим устройствам важным условием до- стижения требуемой точности измерений является идентичность состояния поляризации в элементах связи, что обычно обеспечивается использованием поляризаторов или сохраняющих поляризацию оптических волокон.
11. Оптические передатчики Оптический источник излучения должен удовлетворять целому ряду условий. Его габаритные размеры должны соотноситься с размерами используемого оптического кабеля. И иметь минимальные размеры, малую массу и быть сверхнадежным.
Источник излучения должен выдавать оптический сигнал достаточной мощности, чтобы удовлетворить требованиям по относительному уровню ошибок BER, а модуляция его выходного сигнала должна осуществляться с требуемой скоростью.
И светоизлучающий диод LED и лазерный диод LD, в какой- то степени удовлетворяют этим требованиям, но преимущества лазерного диода по мощности и полосе пропускания однозначно определяют выбор типа источника излучения в системах WDM. Для источников излучения, используемых в системах передачи со скоростью 2,5 Гбит/с, может быть использована внутренняя модуляция собственным током накачки.
Для источников излучения, применяемых при более высоких скоростях передачи, требуются
отдельные внешние модуляторы для того, чтобы минимизировать чирпирование частоты. В любом случае, необходимы соответствующие средства, для эффективной передачи выходной мощности источника излучения в следующий компонент системы – модулятор, и далее в линию передачи. Кроме этого, обычно требуются средства контроля за тепловыделением, т.е. термометры.
Модуляторы передатчика Для передачи информации по линии связи оптическое излучение источника необходимо модулировать. Эта модуляция
(в форме прямоугольных импульсов, соответствующих битам информации) должна быть линнейной, чтобы в выходном спектре не появились дополнительные гармоники и интермодуляционные искажения. Такие искажения могут привести к помехам при демодуляции на приемном конце линии связи.
Известно много способов модуляции, однако наиболее распространенным является модуляция интенсивности несущей частоты. При скоростях передачи до 2,5 Гбит/с используется импульсная модуляция тока накачки источника излучения. При более высоких скоростях модуляция интенсивности (включение/выключение) светового сигнала обеспечивается с помощью быстродействующих управляемых оптических затворов.
Стабилизаторы длины волны Стабилизаторы длины волны
– это устройства, вырабатывающие сигнал ошибки с амплитудой пропорциональной сдвигу длины волны лазерного источника излучения от номинального значения канального плана ITU.
В основе большинства методов стабилизации используется сравнение уровня оптической мощности излучения, пропускаемого через узкополосные оптические фильтры, полоса пропускания которых охватывает с обеих сторон опорную длину волны.
Сфотографирован от Пучининой.
13.Оптические кросс-коммутаторы. Принципы реализации и архитектура Несмотря на существенные успехи в развитии технологии оптических сетей, связанные с развитием
WDM
(мультиплексирование с разделением по длине волны) [1], коммутация каналов, оборудования и данных (пакетов, фреймов, кадров, ячеек) до последнего времени осуществлялась электронными устройствами – маршрутизаторами и кросс- коммутаторами. Это объяснялось рядом особенностей электронных коммутаторов, прежде всего их функциональной гибкостью и универсальностью.
Однако применение электронных преобразователей в оптических сетях приводит к двойному преобразованию сигнала – из оптического в электронный и обратно. В результате сеть становится неоднородной, что ведет к существенному удорожанию оборудования. Вот почему столь велико стремление к построению однородных оптических сетей, что возможно только на основе оптических коммутирующих устройств.
Параметры оптических коммутаторов
Все коммутаторы характеризуются двумя важнейшими показателями: скоростью переключения и емкостью. В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают четыре уровня [2].
Низкие скорости переключения (время переключения более 1 мс) приемлемы для операций автоматической конфигурации- реконфигурации оборудования или обновления таблиц маршрутизации. При этом для большой сети требуются значительные емкости коммутаторов. Средние скорости (1 мкс) достаточны при защитном переключении колец или альтернативных маршрутов в сетях для коммутации сетевого трафика из одного волокна в другое. Здесь достаточно емкости коммутатора 2х2. Высокие скорости (1 нс) требуются для коммутации потоков данных – переключения должны происходить существенно быстрее, чем время прохождения пакета (42 нс для 53- байтной ячейки АТМ при скорости потока 10 Гбит/с). Очень высокие скорости переключения (1 пс) необходимы для внешней модуляции светового потока потоком данных. При этом время коммутации должно быть по крайней мере на порядок меньше длительности одного битового интервала (100 пс для потока 10
Гбит/с).
Емкость – это число коммутируемых каналов или коммутируемых стандартных модулей (например, STM-1). Оптический коммутатор
16х16 считается большим, хотя не идет ни в какое сравнение с электронными коммутаторами емкостью 2048х2048 каналов.
Работу коммутаторов характеризуют еще четыре показателя.
Коэффициент ослабления коммутируемого сигнала – это отношение мощности сигнала на выходе в режиме “выключено” по отношению к мощности в режиме “включено”. Он может варьироваться от 40–50 до 10–15 дБ в зависимости от типа коммутатора. Данный показатель стремятся максимизировать. Как можно меньше должны быть вносимые коммутатором потери – ослабление сигнала, вызванное устройством. Переходное затухание коммутатора – отношение мощности сигнала на нужном
(скоммутированном) выходе к мощности сигналов на всех остальных выходах – должно быть как можно больше.
Минимизировать стараются и поляризационные потери коммутатора – ослабление коммутируемого сигнала, вызванное его поляризацией. Уровень этих потерь зависит от места коммутатора в системе связи. Для их снижения на входе коммутатора используют специальное волокно, препятствующее поляризации сигнала.
Базовые оптические коммутаторы
Существует ряд технологий создания оптических коммутаторов. В соответствии с ними выделяют восемь типов таких устройств:
– механические оптические коммутаторы;
– электрооптические;
– термооптические;
– оптоэлектронные на основе SOA;
– интегральные активно-волноводные;
– на фотонных кристаллах;
– на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах;
– на ИС с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных оптическим лучом.
Разветвители Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным компонентам ВОЛС, является оптический разветвитель (coupler, другое название splitter). Разветвители широко используются при построении распределенных волоконно-коаксиальных сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей (all-optical networks). В обоих случаях сети без использования разветвителей были бы значительно дороже
[7].
Оптический разветвитель представляет собой в общем случае многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами. Различают
направленные и двунаправленные разветвители, а также разветвители, чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном разветвителе каждый полюс может работать или на прием сигнала, или на передачу, или осуществлять прием и пе- редачу одновременно, так что группы приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле [8].
Рисунок 1.1 - Типы разветвителей: а) древовидный разветвитель; б) звездообразный разветвитель; в) ответвитель Разветвители определяют метод разделения оптических сигналов между волокнами на входе
N и волокнами на выходе
М, в действительности разветвитель требуется каждый раз, когда сигнал необходимо переключить на несколько линий (или волокон), или наоборот, когда несколько сигналов, поступающих от разных волокон, необходимо объединить. Таким образом, разветвитель играет важную роль в каналах передачи оптических сигналов, он выступает, как правило, в качестве устройства для разделения/повторного объединения транзитных сигналов.
1) Звездообразные разветвители - это устройства разделяющие поровну оптическую мощность, которая поступает в каждое из входных волокон, между всеми выходами.
Эти разветвлители могут изготавливаться либо из многомодовых, либо из одномодовых волокон и разделяются на три основные типа:
а)
N×М - портовые звездообразные разветвители передающие излучение, где, как правило,
М=
N или
М=1: входные порты отделяются от выходных. Известны структуры
N×М с числом портов до 100;
б) портовые
звездообразные разветвители с отражением излучения, входные порты совпадают с выходными; в)
n×
N - портовые звездообразные разветвители с передачей излучения отражением, они действуют как при передаче звездой, если оптическая мощность вводится в один из портов справа, и одновременно как при отражении и передаче звездой, если выводится из одного из портов слева.
Сварные разветвители изготавливаются путем скручивания волокон в одной точке и нагревания их в точке скрутки. Стекло плавится и образует однородную массу, при этом свет из любого волокна, проходя через точку сварки, выходит через другие концы всех оставшихся волокон. Передающий разветвитель типа звезда получается в том случае, когда концы каждого волокна находятся только по одну сторону от сварной секции. Разветвитель типа звезда с отражением имеет петлеобразные участки, при этом каждое волокно сваривается в центральной точке дважды. Оба типа разветвителей представлены на рисунке. 1.2.
Рисунок 1.2 – Сварные разветвители «звезда»
В зависимости от того, как сварены волокна, оптическая мощность может распределяться однородно или неоднородно между волокнами. Сварные разветвители имеют очень малые размеры, около десятых долей дюйма. Они также характеризуются высокой однородностью.
Разветвители 2×2 (которые отличаются от звездообразного разветвителя 2×2). Существует несколько типов таких устройств:
а) Одномодовые разделители мощности и направленные ответвители. В первой группе можно рассматривать, как правило, все элементы с идентичными одномодовыми волокнами в качестве входных и выходных портов, в которых оптическая мощность, введенная во входное волокно
(1 или 2), разделяется на два выходных порта (3- прямой порт и 4- ответвленный порт) в
соответствии с различными коэффициентами деления; они могут работать на конкретной длине волны без каких-либо конкретных требований в отношении характеристик поляризации сигнала или, наоборот, они могут быть специально сконструированы для независящих от длин волны коэффициентов передачи либо быть независимыми от поляризации.
б) Во вторую группу могут быть включены все разветвители 2×2, в которых только небольшая часть мощности, передаваемая по входному волокну, попадает в порт - «ответвленный порт». Они могут быть либо одномодовыми, либо многомодовыми или гибридными (т.е. выполненными как из многомодового, так и из одномодового волокна).
WDM (мультиплексор с разделением каналов по длине волны): эти специальные разветвители обладают селективной характеристикой в зависимости от длины волны оптического сигнала на входе.
Существует длина волны, которая приводит к состоянию «прямой порт», и другая длина волны, которая приводит к состоянию
«ответвленный порт». Следовательно, если два сигнала, имеющие конкретные и разные длины волны, поступают в одно и то же входное волокно разветвителя, то они будут разделяться на выходе, т е. устройство действует как разделитель по длине волны. Между каналами может быть последовательно включено несколько таких устройств.
PDC (разветвитель с разделением каналов по поляризации).
Воздействие этих конкретных устройств на сигналы с линейной поляризацией по двум конкретным ортогональным осям на входе аналогично воздействию WDM на поступающие сигналы, имеющие конкретные и разные длины волны, они работают как разделитель лучей с линейной поляризацией.
Разветвители с разделением по модам. Они изготавливаются из двух разных волокон: одно является одномодовым, а другое, как правило, обеспечивает передачу небольшого количества мод
(обычно всего лишь две моды). Оптическая мощность, передаваемая одномодовым волокном на входе, полностью (или частично) преобразуется на выходе в одну (или в две при использовании двух-модового волокна) моду более высокого порядка в квази-одномодовом волокне.
NLDC (нелинейный направленный ответвитель) в
отличие от вышеупомянутых разветвителей, в которых интенсивность оптического канала на выходе линейно зависит от интенсивности на входе, поведение этой специальной составляющей нелинейно зависит от интенсивности оптического сигнала на входе; в действительности устройство при большой интенсивности на входе находится примерно в состоянии передачи на «прямой порт», а при малой - в состоянии на «ответвительный порт» Следовательно, такой ответвитель может быть использован для оптической коммутации (переключения).
Разветвитель является многопортовым устройством. Портом называется входная или выходная точка для света. С использованием разветвителей связано несколько видов потерь. На рисунке 1.3 представлена схема четырехпортового разветвителя.
Рисунок 1.3 – Четырехпортовый двунаправленный разветвитель
Стрелками показаны направления возможных потоков света внутри разветвителя. Свет, вошедший через порт 1, может выходить через порты
2 и 3. В идеале данный источник света не может проявлять себя через порт 4. Аналогично свет, инжектируемый через порт 4, может выходить через порты
2 и 3, но не через порт
1.Изображенный разветвитель является пассивным и двунаправленным. Порты1 и 4 могут служить в качестве входных, а порты2 и 3- выходных.
Скачать 1.86 Mb.