ЦМТС. ЦМТС Лекции. Конспект лекций по учебной дисциплине цифровые многоканальные телекоммуникационные системы (цмтс) 3 курс (ускоренная подготовка) по специальности (направлению подготовки)
 Скачать 3.38 Mb.
|
|
Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Характеристики приемо – передающих модулей. Основные типы ПОМ на основе лазерных диодов, выпускаемых отечественной промышленностью, представлены в табл.24.1. Таблица 24.1 Основные характеристики передающих оптических модулей на основе ЛД Параметр размерность ПОМ-21 ПОМ-22 ПОМ-23 Длина волны нм 1060 1300 1550 Спектральная ширина нм 0,1 0,1 0,1 Вых. мощность в волокне мВт 3-10 3-10 3-10 Пороговый ток мА 30 30 30 Рабочий ток мА 80 80 80 Время нарастания/спада нс 0,5 0,5 0,5 Рабочее напряжение В 1,7 1,7 1,7 Управляющий фототок мкА 40 40 40 Примечания: 1 - все ПОМ работают на одной продольной моде; 2 - в середине световода сформировано распределенное зеркало Брэгга; 3 - в корпус встроен InGaAsP-фотодиод; 4 - корпус типа DIL (герметичный). Диапазон длин волн выпускаемых модулей от 0,8 до 1,55 мкм, мощность излучения от 1 до 100 мВт, скорость модуляции до 5 Ггц. В зависимости от условий эксплуатации ПОМ могут изготавливаться как с элементом Пельтье, так и без него. Передающие оптические модули на основе светодиодов торцевого типа. Высокое быстродействие полупроводниковых лазеров и большая мощность их излучения позволяют широко применять такие лазеры в ВОСП различного назначения. Однако анализ технических требований, предъявляемых к ВОСП, показывает, что подавляющее число линий в нашей стране предназначено для передачи потоков информации от 2 до 100 Мбит/с на сравнительно небольшие (до 15-20 км) расстояния. Принимая во внимание высокую чувствительность современных фотоприемных устройств, для таких линий целесообразно в качестве источника излучения применять светодиоды с выводом излучения через отрезок ВОК. Светодиоды в ВОЛС такой протяженности имеют ряд преимуществ по сравнению с лазерами, а именно: 1. Они не вызывают появления дополнительных ошибок, обусловленных перегрузкой фотоприемных устройств из-за высокой мощности излучения; 2. Светодиоды нечувствительны к неоднородностям ВОЛС и не требуют применения оптических изоляторов для подавления паразитных оптических отражений; 121 3. Беспороговый характер мощности излучения не требует жесткой стабилизации температурного и электрического режима работы; 4. Светодиоды не подвержены катастрофической деградации, характерной для лазеров даже при кратковременных токовых перегрузках. Для ВОЛС средней и малой протяженности разработаны передающие оптические модули на основе торцевых светодиодов. Основные параметры этих модулей приведены в таблице 24.2. Таблица 24.2. Основные характеристики передающий оптических модулей на основе СИД торцевого типа Тип модуля Длина волны излучения, нм Мощность излучения в ОВ, мВт Ток накачки, мА Тип ОВ, (сердцевина, мкм) Габариты, мм ИЛПН-360-1 1250-1350 0,025 50 ММ(50) 20x15x9 ИЛТШ- 360-2 1250-1350 0,025 50 ОМ(9) 20x15x9 ИЛПН-360-1Т 1250-1350 0,025 70(+5В) ММ(50) 20x15x9 ИЛПН-360-2Т 1250-1350 0,025 7O(+5B) ОМ(9) 20x15x9 Модули ИЛПН-З6О-1 и ИЛПН+З6О-2 содержат торцевой светодиод на держателе и узел стыковки ОВ со светодиодом. В состав модулей ИЛПН-З6О-lT и ИЛПН-360-2Т входят также импульсный модулятор, который управляет импульсами ТТЛ - уровня, и схема параметрической температурной стабилизации мощности излучения. В комплекте с приемными модулями типа ПРОМ-364 передающие модули с торцевыми ФД обеспечивают передачу информации на расстояние 10-30 км со скоростью до 60 Мбит/с по многомодовому (ММ) и одномодовому (ОМ) волокну. Передающие модули размещены в металлостеклянных корпусах с вертикальным расположением выводов. Размеры корпуса (без учета выводов) 20x15x9 мм. Вывод излучения осуществляется через отрезок ВОК (ММ или ОМ), оконцованного оптическим разъемом. Типы и параметры промышленных приемных оптических модулей. В настоящее время разработаны и производятся приемные оптические модули типа ПРОМ для спектрального диапазона 800 -1600 нм, работающие со скоростью до 2,5 Гбит/с. Параметры основных типов приемных оптических модулей приведены в табл. 24.3. Таблица 24.3.Параметры приемных оптических модулей Тип модуля Скорость приема, Мбит/с Шумовая полоса, МГц Чувстви- тельность, ДБм Коэффиц. передачи, В/мВт Динамичес кий диапа- зон, дБ Напряжение питания, В (ток, мА) ПРОМ-364 4 1,5 -55 400 52 +5(2O) 16 11 -51 200 48 +5(20) 68 50 -44 70 41 +5(20) 320 220 -35 8 32 +5(20) ПРОМ-З6З 565 350 -37 0,8 25 +5(10) 1200 800 -33 0,3 20 +12(20) ПРОМ-365 2500 1800 -28 0,3 20 +5(40) ПРОМ-367 4 - -48 ТТЛ-выход 45 +5(40) 16 - -45 42 +5(40) 122 68 - -40 37 +5(40) Примечание. В колонке "Чувствительность" приведены минимальные значения, полученные при BER = 10 9 , кроме значения для ПРОМ-365, полученного при BER= 10 10 Наиболее широкое применение нашел трансимпедансный модуль ПРОМ-364, параметры которого оптимизированы для различных скоростей приема. В состав этого модуля входит высокоскоростной ФД на основе многокомпонентного п/п InGaAsP для спектрального диапазона 980 -1600 нм или кремниевый PIN ФД для диапазона 800-900 нм и усилитель, выполненный по тонкопленочной гибридной технологии. На входе усилителя применен GaAs ПТ с малой входной емкостью и высокой крутизной, что позволяет получить большое усиление и низкий уровень собственных шумов. Основное назначение модуля ПРОМ-364 - работа в цифровых ВОЛС с большим динамическим диапазоном входных сигналов. Для фотоприемных устройств на основе трансимпедансных усилителей динамический диапазон обычно не превышает 25 дБ, что в ряде случаев не перекрывает допустимый разброс интенсивности входного сигнала. Для расширения динамического диапазона в усилитель вводится нелинейная обратная связь, позволяющая расширить его до 40-50 дБ. При работе в составе аппаратуры связи низкая (не хуже 10 9 ) вероятность ошибки сохраняется до минимальной детектируемой мощности порядка 0,5 мВт. Модуль ПРОМ-364 обеспечивает без дополнительных регулировок работу во всем допустимом диапазоне длин передачи. Дальнейшей модификацией приемного модуля ПРОМ-364 является модуль ПРОМ-367. Помимо основных элементов, входящих в состав модуля ПРОМ-364, новый модуль содержит решающую схему, которая преобразует сигнал с выхода усилителя в импульсный сигнал стандартного ТТЛ-уровня, Кроме этого, модуль имеет выход сигнализации наличия или отсутствия информации в линии. Модуль ПРОМ-367 разработан для применения главным образом в локальных и корпоративных сетях, но может быть использован и на магистральных линиях связи, если не требуется предельно высокая чувствительность фотоприемника. Принимая во внимание довольно широкое распространение модулей ПРОМ-364 в аппаратуре связи, в ЗАО "ТЕЛАЗ" была проведена разработка решающей схемы для этого модуля, позволившая потребителям максимально упростить работу по его установке. Решающая схема преобразует выходной сигнал модуля в стандартное напряжение КМОП - уровня. Она содержит ФВЧ, позволяющий установить полосу пропускания в соответствии со скоростью приема сигнала. Кроме того, она формирует два сигнала: один - указывает на отсутствие информации в линии, второй - сигнализирует об уменьшении амплитуды принимаемого сигнала до опасно низкого его уровня. Порог такого уровня сигнала можно установить путем подключения соответствующего резистора к одному из выводов решающей схемы. Применение такой схемы позволяет оптимизировать работу модуля ПОМ-364 и повысить надежность аппаратуры в целом. Для высокоскоростных ВОЛС разработаны два типа приемных модулей - ПРОМ-363 и ПРОМ-365. Модуль ПРОМ-З6З имеет в своем составе быстродействующий p-i-n ФД и широкополосный усилитель с полосой выше 1 ГГц. Для выравнивания АЧХ используется внешнее корректирующее устройство - эквалайзер, а для расширения динамического диапазона - схема стабилизации рабочего режима усилителя. Усилитель приемного модуля ПРОМ-365 имеет полосу усиления 2 ГГц. Эквалайзер и схема стабилизации режима работы усилителя расположены внутри корпуса. Полоса усиления регулируется при настройке модуля в соответствии с требованиями заказчика. Выходной каскад усилителя рассчитан на работу с кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом или полосковую линию. Выходной сигнал выводится либо через ВЧ- разъем, либо ножку основания. 123 Выводы. 1. Принимая во внимание высокую чувствительность современных фотоприемных устройств, для линий связи длиной 15 – 20 км целесообразно в качестве источника излучения применять светодиоды с выводом излучения через отрезок ВОК. 2. Основными характеристиками передающий оптических модулей на основе СИД торцевого типа являются длина волны излучения, мощность, ширина линии излучения, ток инжекции и габариты. 3. Основными характеристиками приемных оптических модулей являются скорость приема, шумовая полоса, чувствительность, коэффиц. передачи, динамический диапазон и напряжение питания. Контрольные вопросы. 1. Назовите основные параметры передающих оптических модулей с СИД. 2. Назовите основные параметры передающих оптических модулей с ЛД. 3. Назовите основные параметры приемных оптических модулей с лавинным фотодиодом. 4. Назовите основные параметры приемных оптических модулей с p-i-n фотодиодом. 124 Лекция 25 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Модуляторы оптической несущей. Оптическую несущую можно представить как электрическое поле монохроматического оптического излучения, мгновенное значение которого при фиксированных пространственных координатах равно ) cos( ) ( 0 0 t E t Е м , где E M — амплитуда поля; o и o — соответственно, частота и фаза оптической несущей. Таким образом, оптическое излучение характеризуется амплитудой, частотой, мгновенной фазой, или поляризацией. Квадрат выражения называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т.е. ) ( cos ( ) ( 0 0 2 2 2 t E t E м , здесь E M — амплитудное значение интенсивности. Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего — модулирующего сигнала называется модуляцией. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. Существуют разные способы модуляции параметров оптического излучения. Первый из них — это прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения лазерного диода (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигается изменением тока накачки или тока смещения (рис. 25.1а). Эти изменения управляют инжекцией электронов через р-n и в широких пределах меняют интенсивность выходного оптического излучения. Ограничение частоты модуляции связано с постоянными времени генерации и рекомбинации свободных носителей, а также емкостями в цепях возбуждения. Непосредственная модуляция, помимо изменения интенсивности излучения, оказывает динамическое влияние на спектр излучения, изменяя длину волны и амплитуды отдельных мод резонаторов для ЛД, причем, чем меньше количество излучаемых мод, тем существеннее это влияние. Поэтому возникла необходимость использования внешних модуляторов. Второй способ — модуляция излучения немодулированного источника света. Это внешняя модуляция (рис. 25.1б). Для внешней модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на оптическое излучение. Для этой цели необходим оптический модулятор. Третий способ — внутренняя модуляция (рис. 25.1 в), при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например, Фабри-Перо, и изменяющего его добротность. Иногда такой вид модуляции оптического излучения называется автомодуляцией. В оптических системах передачи используются два метода приема модулированного оптического сигнала: 1) прямая или непосредственная демодуляция модулированного по 125 интенсивности оптического излучения и 2) когерентный прием оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный или гомодинный способы преобразования частот. При когерентном приеме возможны синхронная и несинхронная демодуляция по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции. Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, называются оптическими модуляторами. Принципы действия оптических модуляторов реализуются на основе физических эффектов, протекающих при распространении светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры. Так как прием оптического излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразуют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед оптическим модулятором. Оптический амплитудный модулятор представляет собой устройство, в котором происходит взаимодействие оптического излучения (света) с кристаллом, свойства которого изменяются под воздействием управляющего или модулирующего сигнала: электрического, магнитного полей или внешнего давления. Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на электрооптическом эффекте в кристаллах, показатель преломления которых изменяется под воздействием приложенного электрического поля. Модулируемый источник излучения Управляющий модулирующий сигнал Модулированный оптический сигнал а) прямая или непосредственная модуляция Модулированный оптический сигнал Немодулированное оптическое излучение Оптический модулятор Управляющий модулирующий сигнал Оптический модулятор б) внешняя модуляция Активная среда Лазерный резонатор в) внутренняя модуляция Модулированный оптический сигнал Рис. 25.1. Модуляция оптического излучения Электрооптическое явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю, называется эффектом 126 Поккельса. Явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля, называется эффектом Керра. Кристаллы, порождающие эффекты Поккельса или Керра при воздействии на них электрического поля, называются электрооптическими криcmaллами. К ним относятся кристаллы фосфорокислого калия КН, Р04, соединения лития LiNbO3 (ниобат лития), LiTaO3 (танталат лития) или соединения вида GаАs и CdTe. Обобщенная функциональная схема электрооптического модулятора приведена на рис. 25.2, где приняты следующие обозначения: П — скрещенный поляризатор; Я — ячейка (Поккельса или Керра), представляющая плоский конденсатор — кристалл, помещенный между двумя электродами, к которым прикладывается электрическое поле (управляющий или модулирующий сигнал); К — компенсатор, устраняющий световое излучение в плоскости, параллельной плоскости приложения электрического поля; А — скрещенный анализатор, выделяющий оптическое излучение соответствующей длины волны и поляризации. Оптическое излучение, поступающее на Вход электрооптического амплитудного модулятора, преобразуется в поляризаторе П в линейно поляризованный свет. В отсутствии управляющего (модулирующего) электрического поля ячейка Я прозрачна для светового луча на выходе поляризатора П, который полностью гасится анализатором А, так как последний расположен под углом 90 к поляризованному входному излучению. При подключении электрического поля (управляющего или модулирующего электрического сигнала) линейно поляризованная световая волна в ячейке Я распадается на две, поляризованные вдоль поля (необыкновенная волна) и перпендикулярно полю (обыкновенная) волны. Это явление называется двойным лучепреломлением. Обыкновенная и необыкновенная волны имеют в ячейке различные скорости распространения, вследствие чего выходящий из кристалла свет оказывается эллиптически поляризованным и частично проходит через анализатор А. При увеличении напряжения осуществляется преобразование состояния поляризации входного луча до такого состояния, когда анализатор становится полностью прозрачным для входного луча и излучение поступает на Выход модулятора. Изменяя уровень приложенного к ячейке Я напряжения, можно управлять интенсивностью выходного оптического излучения. Таким образом, напряжение, приложенное к ячейке, определяет уровень мощности оптического сигнала на выходе модулятора, а его изменение приводит к модуляции световой волны. Ячейки Керра и Поккельса обладают малой инерционностью, что позволяет осуществлять модуляцию оптической несущей до частот порядка 10 13 Гц. При этом глубина модуляции может достигать значений более 99,9 %. В случае применения ячеек Поккельса из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики. Из-за квадратичности эффекта Керра происходит удвоение частоты и возникновение постоянной составляющей. - + П Я К А Вход Выход Рис. 25.2. Электрооптический амплитудный модулятор 127 Соответствующими изменениями геометрии кристаллов ячеек Поккельса и Керра можно осуществлять фазовую модуляцию оптической несущей. В оптических системах передачи находят применение оптические модуляторы, использующие одну из разновидностей магнитооптического эффекта — эффекта Фарадея. Если свет пропустить через вещество (кристалл), которое находится в магнитном поле, то в результате эффекта Фарадея возникает вращение плоскости поляризации света. При распространении света в направлении магнитного поля, в котором находится вещество (кристалл), плоскость его поляризации будет поворачиваться вправо на соответствующий угол. Периодически меняющееся магнитное поле приводит к периодическому изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптический элемент – ячейку Фарадея, помещенного в магнитное поле. Угол поворота плоскости поляризации равен =VIH, где V — постоянная величина вращения плоскости поляризации света, отнесенная к единице напряженности приложенного магнитного поля (управляющего или модулирующего сигнала), приходящееся на единицу длины кристалла и называется удельным магнитным вращением или постоянной Верде; удельное магнитное вращение зависит от типа вещества, температуры и длины волны оптического излучения; I — длина кристалла в направлении магнитного поля; Н — напряженность магнитного поля. Угол поворота пропорционален длине пути света в кристалле и при достаточно прозрачной среде может быть сделан сколь угодно большим. П А Вход Выход ЯФ Управляющий или модулирующий сигнал Рис. 25.3 Магнитооптический амплитудный модулятор При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления для линейно поляризованного света приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению. Последнее свойство позволяет реализовать магнитооптический амплитудный модулятор (рис. 25.3). Входной сигнал, проходя через поляризатор П, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую. Перемагничивание, производимое переменным полем модуляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соответствующее изменение плоскости поляризации проходящего через ЯФ света, поступающего с выхода поляризатора П. Проходя через скрещенный с поляризатором П анализатор А, оптическое излучение становится модулированным по амплитуде. Эффект Фарадея ярко выражается в редкоземельных гранатах типа R3Fe5O12, обладающих высоким удельным магнитным вращением плоскости поляризации. Здесь R — редкоземельные элементы: гольмий — Но, диспрозий — Dy, Gd — гадолиний, ТЬ — тербий, Y — иттрий. Широкое применение получили железо-ипериевый гранат Y3Fe5012 и железо- тербиевый гранат и легированные алюминием или висмутом их соединения, например, Y3Fe5-xА1xО12 или ТЬз-xВixFе5О12. Важной особенностью магнитооптических модуляторов является постоянство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации света в инфракрасном диапазоне длин волн (1...5 мкм). Это обстоятельство повышает конкурентоспособность таких модуляторов при построении волоконно-оптических систем передачи, работающих во втором и третьем окнах прозрачности оптического волокна. 128 Отметим, что в отличие от электрооптического эффекта, который является взаимным, эффект Фарадея является невзаимным, поэтому он может быть использован при создании различных невзаимных оптических устройств: оптических изоляторов, развязывающих устройств, пропускающих свет только в одном направлении. Модуляция оптической несущей может быть осуществлена с помощью акустооптических модуляторов, принцип действия которых основан на явлении дифракции света на ультразвуке, приводящего к изменению показателя преломления ряда оптически прозрачных материалов. Такими материалами, нашедшими широкое применение в технике оптических систем передачи, являются кристаллы диоксида теллура — ТеО2, ниобата лития — LiNbO3 и молибдата свинца — PbMo04. При распространении света в среде, где присутствуют акустические (ультразвуковые) упругие волны, происходит дифракция света. Упругие волны представляют возмущения, распространяющиеся в твердых (жидких и газообразных) средах. При распространении ультразвуковых (упругих— акустических) волн в среде возникают механические деформации сжатия (под давлением акустического поля), которые переносятся из одной точки среды в другую, меняя ее структуру. При распространении упругих волн в кристаллах может возникнуть ряд специфических эффектов, например, различия в направлениях распространения света, его интенсивности и поляризации, фазовой и групповой скоростей распространения. Диапазон частот упругих акустических волн простирается от долей Гц до 10 Гц. Акустические (ультразвуковые) волны создают давление на оптически прозрачный материал, приводящее к периодическому изменению его показателя преломления. В результате этого в кристаллах возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, период которой равен длине акустической волны Если в такой структуре распространяется луч света, то в кристалле помимо основного возникают дифракционные пучки света положительных и отрицательных порядков (порядка дифракции), характеристики которых (поляризация, интенсивность и направления в пространстве) зависят от параметров акустического поля (частоты, интенсивности, толщины пучка акустических волн), а также от угла , под которым падает свет на пучок акустических (упругих) волн, рис. 9.4. Лишь при определенном значении угла эффективность дифракции света на ультразвуке оказывается максимальной и зависит от длины L пути, пройденного светом в области акустооптического взаимодействия (объеме кристалла, находящегося под воздействием акустического поля). При достаточно большой длине L интенсивность дифрагированного света становится сравнимой с интенсивностью входного (падающего) света. Дифракция света на ультразвуке для диапазона частот (гиперзвука) от 10 9 до 10 13 Гц при выполнении условий L/ > 1, где — длина волны оптического излучения; 129 -3 порядок Основной луч +3 порядок +2 порядок +1 порядок -1 порядок -2 порядок Дифрагированный свет Кристалл Максимумы дифракции Волновой фронт выходной световой волны Акустическая волна (звуковой пучок) Световая волна Волновой фронт входной световой волны Рис. 25.4 К пояснению акустооптического эффекта L—длина пути, проходимого светом в области акустооптического взаимодействия; — длина акустической волны, приводит к так называемой брэгговской дифракции. Она возникает в изотропной среде, если световой луч падает на звуковой пучок под углом Брэгга Б = arcsin(2 / ) . Изменение структуры кристалла приводит к появлению дифракционной решетки. В этом случае отклонение света происходит только в 1-й порядок дифракции: в +1- й для света, падающего в сторону, противоположную распространению звука, или — 1-й, если свет падает в сторону распространения звука. Падающая под углом Брэгга к дифракционной решетке, порожденной воздействием акустических упругих волн гиперзвука, световая волна частично отражается от нее и интерференция отраженных лучей определяет интенсивность дифрагированного света. Она максимальна, если разность оптического хода световых волн, отраженных от соседних максимумов дифракции кристалла, (9.5), равна Таким образом, описанный эффект можно использовать в качестве оптического модулятора интенсивности оптического излучения. Для фиксированной существует предельная звуковая частота f max = 2v / (v — скорость звука), выше которой брэгговская дифракция невозможна. Обобщенная схема акустооптического модулятора на основе брэгговской дифракции представлена на рис. 25.5, где приняты следующие обозначения: L — длина пути взаимодействия оптического излучения и акустической волны в кристалле; Б — угол Брэгга; Л1, Л2 и Д — линзы и диафрагмы в модуляторе предназначены для выделения необходимого дифракционного максимума. 130 L L2 L1 Д Модулированное оптическое излучение Поглотитель акустических волн Пьезоизлучатель акустических волн Управляющий или модулирующий сигнал Акустическая волна Фронт акустической волны Световая волна Б Рис. 25.5 Акустооптический амплитудный модулятор Пьезоизлучатель акустических волн предназначен для формирования упругих волн с заданными параметрами, а поглотитель акустических волн служит для образования бегущей ультразвуковой волны, на которой и происходит дифракция света. Принцип действия акустооптического модулятора заключается в следующем: под воздействием управляющего или модулирующего сигнала изменяются параметры пьезоизлучателя акустических волн и, следовательно, изменяются параметры брэгговской дифракционной решетки, образованной бегущей ультразвуковой волной. При прохождении световой волны по кристаллу происходит изменение ее амплитуды или интенсивности. Отметим, что имеет место только первый порядок дифракции, определяемый соотношениями между длиной волны входного оптического излучения , значением L и длиной акустической волны В результате акустооптического взаимодействия частота оптического излучения смещается на величину, равную акустической частоте f а = f м + f ас , f м — частота модулирующего или управляющего сигнала и f ас — частота генератора акустической волны — пьезоизлучателя, что связано с перемещениями дифракционной решетки. При этом, если луч направлен против направления акустической волны, выходная частота выше входной, в противном случае — наоборот. Это явление может быть использовано для гетеродинного приема при частотной, фазовой и амплитудной модуляции оптической несущей. Внутренняя модуляция оптической несущей осуществляется путем изменения физических параметров источника оптического излучения, например, изменением длины резонатора полупроводникового лазерного диода, изменением параметров распределенной обратной связи (РОС) или распределенного брэгговского отражения (РБО). Изменение оптической длины резонатора лазера приводит к изменению частоты излучения. С этой целью одно из зеркал лазера закрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект может быть достигнут путем изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор. Для этого внутрь резонатора помещают электрооптический кристалл. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также путем наложения на его активный слой магнитного или электрического поля, под действием которого происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, генерирующих когерентное излучения. 131 Под воздействием магнитного или электрического поля происходит изменение усиления активного слоя лазера и, следовательно, можно реализовать амплитудную модуляцию или модуляцию по интенсивности оптической несущей. Одним из методов управления когерентным излучением с целью осуществления модуляции является изменение величины обратной связи лазера, т.е. коэффициента отражения зеркал резонатора. С этой целью используют резонатор, одно из зеркал которого вращается с большой скоростью, и поэтому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени, т.е. имеет место импульсная модуляция. Изменение величины обратной связи можно получить путем замены одного из зеркал лазера на интерферометр Фабри — Перо. Коэффициент отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, меняя которое, можно модулировать интенсивность излучения и получать значительные по амплитуде импульсы. Излучение лазеров можно модулировать, изменяя добротность оптических резонаторов, которая равна: I Q 2 здесь I — длина резонатора; а — коэффициент потерь на поглощение за одно прохождение волны в резонаторе; — длина волны оптического излучения. Изменением потерь а, величина которых управляется модулирующим сигналом, а также изменением длины резонатора I, методами указанными выше, можно изменять частоту и интенсивность излучения лазера. Для этого используют электрооптические или акустооптические модуляторы, а также введение в резонатор элементов, прозрачность которых изменяется под действием оптического излучения. Такой вид модуляции называется автомодуляцией и широко используется для генерирования импульсов когерентного излучения нано- и пикосекундного диапазонов. Качество работы оптических модуляторов определяется такими параметрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуляционной характеристики, под которой понимается зависимость выходной мощности оптического излучения от управляющего напряжения, динамический диапазон, глубина модуляции, потери света, широкополосность или быстродействие, экономичность в потреблении энергии. Метод модуляции оптической несущей выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требований, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности модулирующего сигнала, коэффициента (глубины) модуляции, импульсному или непрерывному режиму работы. По совокупности параметров качества, вида информации и требований к параметрам модулированного оптического сигнала электрооптические модуляторы получили самое широкое применение в технике волоконно-оптических систем передачи. Виды модуляции оптической несущей. В оптическом диапазоне широко используются аналоговая, импульсная и цифровая модуляции: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и их разновидности. При аналоговой модуляции непрерывному изменению амплитуды информационного сигнала соответствует плавное изменение амплитуды (интенсивности) частоты, фазы оптической несущей частоты (аналоговые амплитудная модуляция — АМ, модуляция интенсивности МИ, частотная модуляция — ЧМ, фазовая модуляция — ФМ). Аналоговая поляризационная модуляция (аналоговая ПМ) может быть двух видов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол вектора поляризации линейно поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при круговой ПМ отношение интенсивностей оптической несущей правого и левого круговых поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала. 132 При импульсной модуляции амплитуда, интенсивность, длительность— ширина, частота, фаза оптических импульсов изменяются пропорционально амплитуде информационного сигнала (амплитудно-импульсная модуляция — АИМ, импульсная модуляция интенсивности — ИМИ, широтно-импульсная модуляция — ШИМ, частотно- импульсная модуляция и фазо - импульсная модуляция — ФИМ, называемая также позиционно-импульсной модуляцией — ПИМ). Применение ШИМ в ВОСП оказывается нецелесообразным, поскольку при этом виде модуляции сравнительно неэффективно используется выходная мощность источника оптического излучения и, кроме того, ниже помехоустойчивость по сравнению с другими видами импульсной модуляции. При ФИМ, ЧИМ и ИМИ для передачи информации используются относительно короткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффективно использовать выходную мощность оптического излучения. Под цифровой модуляцией в самом общем случае понимается передача двоичной последовательности импульсов одинаковой амплитуды, длительности и фазы методами ИКМ или ДМ. Однако при этом различают такие виды цифровой модуляции, как ИКМ — АМ (ИКМ — МИ), когда передаче «единицы» или «нуля» информационной последовательности импульсов соответствует максимальная или минимальная, соответственно, интенсивность (амплитуда) оптической несущей; при ИКМ — ЧМ единице» информационной последовательности соответствует одно значение частоты оптической несущей, а «нулю» — другое значение. При ИКМ — ФМ фаза оптической несущей манипулируется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или радиан в соответствии с «единицей» или «нулем» исходной информационной последовательности. Импульсно-кодовую поляризационную модуляцию (манипуляцию) И — КМ — ПМ можно осуществить в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярно - ортогональном. В первом случае «единица» и «нули» исходной информационной последовательности различаются линейными ортогональными поляризациями оптического излучения (например, вертикальная поляризация соответствует единице, горизонтальная — нулю). Во втором случае «единице» соответствует правая круговая поляризация, а «нулю» — левая. В настоящее время в технике волоконно-оптических систем передачи в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродинными методами приема. Выводы. 1. В настоящее время в технике волоконно-оптических систем передачи в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродинными методами приема. 2. Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего — модулирующего сигнала называется модуляцией. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. 3. В оптических системах передачи используются два метода приема модулированного оптического сигнала: прямая или непосредственная демодуляция модулированного по интенсивности оптического излучения и когерентный прием 133 оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный или гомодинный способы преобразования частот. Контрольные вопросы. 1. Поясните, что такое внутренняя и внешняя модуляция? 2. Нарисуйте схему и поясните принцип работы электрооптического амплитудного модулятора. 3. Нарисуйте схему и поясните принцип работы акустооптического амплитудного модулятора. 4. Нарисуйте схему и поясните принцип работы Магнитооптический амплитудный модулятор. |