КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА-1. Г. С. Евтушенко, Ф. А. Губарев квантовая и оптическая электроника
 Скачать 1.85 Mb.
|
|
Затухание и искажение сигналов при передаче по оптоволокну Важными параметрами оптического волокна являются затухание и дисперсия. На рис. 4.4 представлены спектральные характеристики по- терь в кварцевом световоде. Наименьшие потери при распространении, связанные с поглощением излучения, находятся с области 1,3–1,6 мкм. Очевидно, что основные потери связаны с поглощением излучения примесями, избавиться от которых полностью не удается. Минималь- ные значения потерь, реализованные сегодня, составляют менее 0,2 дБ/км. То есть на стокилометровом участке оптоволоконного кабеля исходное излучение ослабнет в 100 раз. Характерное для волокна длиной L пропускание T может быть описано на основе экспоненциальной функции: бL 0 P T e P − = = (4.5) где P 0 – входная мощность, P – выходная мощность, α – коэффициент затухания. В волоконной технике применяют шкалу в децибелах. По- этому потери находят по следующей формуле: 10 б б ln10 = , дБ/км. (4.6) Тогда затухание D в волокне будет выглядеть так: 51 0 P D 10log бL P = = , дБ. (4.7) Зависимость между пропусканием T и затуханием D получают из: D бL 10 10 T 10 10 − − = = (4.8) Рис. 4.4. Спектральная характеристика потерь и дисперсия материала в кварцевом оптоволокне Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых со- ставляющих оптического сигнала. Существует три типа дисперсии: • дисперсия мод – характерна для многомодового волокна и обу- словлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. • дисперсия материала – обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. • волноводная дисперсия – обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения мо- ды от длины волны. Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различ- ны. Для передачи сигналов используются два вида волокна: одномодо- вое и многомодовое. Название волокна получили от способа распро- странения излучения в них. Многомодовое оптическое волокно (типовые размеры сердцеви- на/оболочка 50/125 мкм и 62,5/125 мкм) позволяет передавать одновре- 52 менно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых в оптово- локно под разными углами (рис. 4.5, а). Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения по оптическому волокну. Поэтому главный недостаток многомодового оптоволокна – большая величина модовой дисперсии, ограничивающая полосу пропускания, и соответственно, дальность пе- редачи сигналов. Полоса пропускания у многомодовых волокон дости- гает 800 МГц·км, что приемлемо для локальных сетей связи. Такое оп- товолокно используется в ВОЛС для передачи на расстояние 4 – 5 км. Многомодовые волокна удобны при монтаже, так как в них размер све- товодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Волоконный кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малы- ми потерями (до 0,3 дБ) в стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм – самые доступные и дешевые из- лучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. а б в Рис. 4.5. Виды оптоволокна: а) многомодовое со ступенчатым профи- лем показателя преломления, б) многомодовое с градиентным профилем по- казателя преломления, в ) одномодовое 53 Для уменьшения модовой дисперсии и сохранения высокой полосы пропуская, на практике применяют оптические волокна сердцевины ка- беля. В отличие от стандартных многомодовых оптических волокон, имеющих постоянный профиль преломления материала ядра, такое оп- товолокно имеет показатель преломления N, который плавно уменьша- ется от центра к оболочке (рис. 4.5, б). Одномодовое оптическое волокно (типовой размер 8/125 мкм для длин волн 1,3–1,55 мкм) сконструировано таким образом, что в ядре оп- товолокна может распространяться только одна, основная мода (рис. 4.5, в). Если при распространении света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. Это обеспечивает наи- высшую пропускную способность. Поэтому такие оптические волокна применяются при строительстве магистральных ВОЛС. Основные пре- имущества одномодовых оптических волокон – малое затухание 0,25 dB/км, минимальная величина модовой дисперсии и широкая полоса пропускания. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести из- лучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой причине од- номодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. В качестве усилителей для ВОЛС находят применение широкопо- лосные легированные волоконные усилители. Они имеют более высокое быстродействие по сравнению с электронными усилителями и практи- чески не влияют на скорость передачи информации. Волоконный уси- литель состоит из кварцевых волокон длиной в несколько десятков мет- ров, легированных эрбием (концентрация 10 -18 –10 -19 см 3 ). Накачка осу- ществляется лазерными диодами с длинной волны 980 нм; альтернатив- ная длинна волны накачки составляет около 1,48 мкм. Усиление нахо- дится на уровни 30 дБ, что соответствует коэффициенту усиления 1000, причем усилители насыщенны примерно при 10 мВт выходной мощно- сти. Другие применения оптических волокон Кроме применения в системах связи, оптическое волокно имеет ряд других применений. 1) Доставка излучения к рабочему инструменту в технологических и медицинских системах, а также для освещения. 2) Наблюдение и измерение оптическими средствами в труднодос- тупных зонах или в неблагоприятной окружающей среде. 54 Здесь можно выделить две области применений, основанных на различных эффектах. В первом случае оптическое волокно используется непосредственно для доставки отраженного (или излучаемого) объек- том света на фотоприемник. В простейшем случае, окуляр либо объек- тив камеры. Типичным примером является эндоскоп. Другая область применений – оптоволоконные датчики – основана на изменении харак- теристик излучения (фаза, поляризация, затухание и др.) при прохожде- нии по оптоволокну под воздействием внешних факторов. По такому принципу строятся, к примеру, датчики температуры, давления, вибра- ции, магнитного и электрического полей. Оптоволоконные датчики хо- рошо подходят для сред с температурами, слишком высокими для по- лупроводниковых датчиков. 3) Генерация излучения самим волокном – волоконные лазеры. В волоконном лазере активной средой является сердцевина оптиче- ского волоконного световода, активированная ионами редкоземельных элементов. Как правило, это одномодовое кварцевое волокно. Пучок на- качки пропускается продольно вдоль длины волокна и направлен либо непосредственно в саму сердцевину, где излучение распространяется так же, как и излучение лазерной моды, либо через внутреннюю обо- лочку, окружающую эту сердцевину (волоконный лазер с двойной обо- лочкой). Отличительными особенностями одномодовых лазеров являет- ся очень низкий порог накачки и очень большой коэффициент усиления, который можно получить даже при умеренных мощностях накачки от диодных лазеров. В последнее время возрос интерес к волоконным ла- зерам как к лазерам, которые способны работать с высокими мощно- стями. Это обусловлено тем, что геометрия волокна дает возможность существенно снизить роль тепловых эффектов (в частности, тепловой линзы), характерных для таких объемных элементов, как лазерные стержни. На сегодня в одномодовом режиме непрерывная мощность ге- нерации превышает 1 кВт, а в многомодовом режиме достигает десят- ков киловатт. Передатчики оптического излучения Для передачи электрического сигнала по оптоволокну его необхо- димо преобразовать в оптический сигнал и ввести в оптоволокно. Опти- ческий передатчик преобразует входной электрический сигнал в моду- лированный световой поток для его дальнейшей передачи по оптово- локну. Ввод излучения в оптоволокно осуществляется узким (сфокуси- рованным) лучом точно вдоль оси сердечника оптоволокна. 55 В качестве оптического источника для одномодовых волокон при- меним только лазерный диод. Для многомодовых волокон может ис- пользоваться и более дешевый светодиодный излучатель, имеющий бо- лее широкую диаграмму направленности излучения. Преимуществами лазерных диодов являются малые размеры тела свечения и, как следст- вие узкая диаграмма направленности (3–20 градусов), большая мощ- ность излучения (10–40 мВт), линейная зависимость излучаемой мощ- ности от тока накачки и высокая частота модуляции. Поэтому они ис- пользуются для широкополосных одномодовых линий связи большой протяжённости. Недостатком лазерных диодов является необходимость их термостатирования для обеспечения одномодового режима работы, что влечет за собой удорожание оптического передатчика. Основные типы применяемых в ВОЛС лазерных диодов приведены ниже [22]. Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP лазер), Fabry-Perot laser (FP laser). Имеет в качестве резонатора два плоских зеркала и может рабо- тать, как в одномодовом, так и многомодовом режимах излучения. Роль зеркал-отражателей выполняют торцы полупроводникового кристалла. Используется в системах связи со скоростью менее 2,5 Гбит/с. Лазер с распределенной обратной связью (РОС-резонатор), Distributed feedback laser (DFB laser), образуется путем периодической пространственной модуляции параметров структуры, влияющих на ус- ловия распространения излучения. Как правило, работает на длине вол- ны 1,55 мкм. Доступен стандарт CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing – грубое спектральное мультиплексирование) с шагом 20 нм в диапазоне длин от 1,31 до 1,61 мкм. Используются преимущест- венно при скоростях передачи информации более 2,5 Гбит/с (и даже бо- лее 10 Гбит/с). Инжекционный лазерный диод с отражательной брэгговской ре- шеткой, (РБО-резонатор), Distributed Bragg Reflector. По сути это разно- видность лазера с распределенной обратной связью. Минимальная ши- рина спектра достигается в лазерных диодах с внешними резонаторами, у которых она в зависимости от типа резонатора лежит в пределах 1...1500 кГц. Лазеры с вертикальным объемным резонатором, (VCSEL лазер), Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL laser). Как правило, рабо- тает на длине волны 850 нм. По сравнению с поперечными излучателями лазеры VCSEL имеют ряд преимуществ – они гораздо проще в изготовлении, так как допус- кают массовую обработку множества элементов на одной подложке, и потребляют меньше энергии. Кроме этого, они допускают высокоскоро- стную модуляцию, благодаря чему позволяют генерировать сигналы со 56 скоростью 1 Гбит/с и более. VCSEL лазеры изготовляются из арсенида галлия (GaAs) и излучают свет в диапазоне от 750 до 1000 нм. Длины волн этого диапазона слишком короткие для передачи сигналов на боль- шие расстояния, поэтому VCSEL применяются с многомодовыми опто- кабелями. Приемники оптического излучения Оптические приемники регистрируют сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю, и осуществляют их преобразование в электрические сигналы. В качестве приемников чаще всего используют- ся различные типы фотодиодов. P-I-N - фотодиод (PIN) или лавинный фотодиод (APD) получают световой поток сигнала и путем модуляции удельной электропроводности или изменением потенциала дают воз- можность конвертировать полученный световой сигнал в электриче- ский. PIN фотодиод относительно дешевый прибор и работает с тем же напряжением питания, что и все электронное устройство. Однако его чувствительность намного меньше, чем у лавинного фотодиода. Поэто- му расстояние между передатчиком и приемником на основе лавинных фотодиодов может быть больше. В то же время APD-фотодиоды требу- ют (в зависимости от типа) питающее напряжение от 30 до 100 В. К то- му же APD создает большие шумы, стоит дороже, чем PIN - фотодиод и требует охлаждения. Описание лабораторного макета ВОЛС Оптико-электронная система приема-передачи информации на ос- нове оптоволокна [23], используемая в данной лабораторной работе, реализована с использованием микроконтроллеров семейства AVR ATMEGA162. Выбор этого контроллера обусловлен следующими дос- тоинствами: наличие двух USART (синхронно-асинхронный приемо- передатчик) и прерывания по изменению состояния порта ввода-вывода. Последнее используется для реализации цифровой клавиатуры. Струк- турная схема лабораторного макета ВОЛС показана на рис. 4.6. Принципиальные схемы передающей и приемной частей макета показаны на рис. 4.7 и 4.8, соответственно. Система ввода и передачи информации (передатчик) на основе микроконтроллера МК1 может работать, как автономно, так и осущест- влять трансляцию данных, передаваемых с персонального компьютера (ПК). Связь МК1 и ПК реализована посредством двунаправленного порта RS-232. Схема согласования уровнейобеспечивает преобразова- 57 ние уровней напряжений ТТЛ-логики в уровни, используемые стандар- том RS-232. Рис. 4.6. Структурная схема лабораторного макета ВОЛС При работе в автономном режиме ввод данных и управление МК1 осуществляется с помощью цифровой клавиатуры 4x4 (16 кнопок). Для отображения вводимых данных предусмотрена система отображения информации, представляющая собой два семисегментных индикатора. Цепи питания и синхронизации– обеспечивают стабилизированное на- пряжение уровнем +5В для питания микросхем и синхроимпульсы для работы микроконтроллеров. Для преобразования сигналов с МК1 в световые импульсы и ввод излучения в оптоволокно (HFBR-RNS002) применяется коммерчески доступный оптический передатчик HFBR-1522. Оптическим приемни- ком является микросхема HFBR-2522. Для оптической совместимости приемника, передатчика и оптоволокна используются компоненты од- ного производителя (фирма Avago Technologies). Передатчик представ- ляет собой светоизлучающий диод с длинной волны 600 нм, горизон- тальной установки, предусматривает передачу со скоростью 1 Мбод. Максимальная длина передающей линии 45м. Оптический приемник имеет встроенный усилитель и транзистор Шоттки с открытым коллек- тором. Оптоволоконный шлейф HFBR-RNS002 – симплексное оптово- локно длиной 2 метра. Шлейф имеет коннекторы на концах, тем самым обеспечивается простое соединение с передатчиком и приемником. На рис. 4.9 показана типичная схема включения оптического канала, пред- лагаемая изготовителем. 58 Рис . 4.7. Принципиальная схема перед ат чика 59 Рис . 4.8. Принципиальная схема приемн ика 60 а б в Рис. 4.9. Микросхемы передатчика (а) и приемника (б) фирмы Avago Techno- ligies и их рекомендованная схема включения 4.4. Программа работы 1. Измерить мощность излучения источника света (He-Ne лазер, твер- дотельный лазер). 2. Завести излучение в световод. 3. Измерить мощность излучения на выходе световода. 4. Рассчитать затухание и коэффициент затухание. 5. Повторить п.п. 2–4 для оптических волокон разной длины. Рис. 4.10. Схема эксперимента по измерению потерь излучения при передаче по оптоволокну 6. Ознакомится с функциональной схемой лабораторного макета ВОЛС и принципиальной схемами приемника и передатчика. Оп- ределить назначение элементов схемы. 7. По заданию преподавателя осуществить передачу двух битов ин- формации с использованием лабораторного макета ВОЛС. 61 4.5. Контрольные вопросы 1. Современное оптоволокно состоит как минимум из двух компонен- тов: сердцевины и оболочки. Какая из этих частей имеет больший показатель преломления и почему? 2. Как и почему изменяется длительность импульса при прохождении через оптоволокно? а) – увеличивается, б) уменьшается, в) не изме- няется. Из-за чего это происходит? 3. Как сделать оптоволокно одномодовым? 4. Назовите основные причины затухания сигнала при передаче по оптоволокну? 5. Можно ли и почему передавать по одному оптоволокну одновре- менно несколько сигналов? 6. Предложите способ соединения двух оптических волокон. 7. Для увеличения пропускной способности оптического канала связи применяется мультиплексирование каналов передачи данных. Ка- ким образом это реализуется? 8. В каких задачах применяется оптоволокно? 9. Дайте определение трем основным типам оптоволокна. 10. Какую полосу частот имеет каждое из этих типов волокон и где может применяться? 11. Поясните достоинства и недостатки одномодового оптоволокна. 12. К какому типу оптоволокна относится оптоволокно HFBR-RNS002, применяемое в лабораторном макете ВОЛС? 13. Для чего необходим транзистор VT6 в схеме передатчика. 14. Почему на приемнике необходимо инвертировать принятый сиг- нал. 15. Чем отличается включение передатчика в схеме на рис. 4.7 от ре- комендованной производителем (рис. 4.8)? 16. Предложите способ определения предельной скорости передачи информации в рассмотренном лабораторном макете ВОЛС. Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ БРОМИДА МЕДИ 5.1. Цель работы Ознакомление с устройством, принципом работы и применениями наи- более распространенных среди лазеров на парах металлов – лазера на парах меди и бромида меди. 5.2. Предварительное задание 1. Изучить принцип создания инверсии в лазерах на самоограничен- ных переходах. 2. Рассчитать, в каких пределах должна варьироваться величина шун- тирующей индуктивности в схеме прямого разряда накопительного конденсатора. Длительность импульса накачки 0,2 мкс, частота следования 20 кГц. Сопротивление плазмы меняется от 100 до 5 Ом в процессе пробоя разрядного промежутка. 3. Рассчитать величину собственной емкости газоразрядной трубки с внешними электродами при ширине электродов 10 см и наружном диаметре 2.5 см, 5 см. |