В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
Параметр Типовые Допустимые Вносимые потери, дБ 8,7 <14 Поляризационные потери, дБ 0,1 <1,5 Оптические возвратные потери, дБ >35 >30 Коэффициент потерь при переходе помех меж- ду каналами, дБ: на передаче на приеме >46 >22 >25 >20 Коэффициент поляризационных потерь при разделении, дБ 31 >20 Электрооптическая полоса, ГГц >27 >23 Полуволновое напряжение при модуляции на скорости 32 ГБод, В <3,5 <3,5 145 Рис. 3.38. Оценка полосы пропускания модулятора PDM-QPSK [24] Главными факторами, определяющими использование сложных схем мо- дуляторов и средств кодирования информационных сигналов являются: ─ необходимость увеличения пропускной способности оптических линий без кардинальных изменения инфраструктуры оптической сети (оптических ка- бельных линий передачи, узлов связи, промежуточных станций и участков пе- редачи – секций усиления, мультиплексирования и регенерации); ─ гибкое наращивание пропускной способности спектральных каналов при неизменном их числе или их увеличении; ─ сохранение помехоустойчивости передачи (заданной величины OSNR в оптическом канале) при реализации функций выделения и ввода каналов в промежуточных узлах, например, средствами мультиплексоров ROADM; ─ технико-экономическими показателями систем передачи. Важную роль в поддержке перечисленных факторов применения сложных схем когерентной передачи играют приемные устройства, о которых сообщает- ся далее. 3.4. Структуры и схемы прямых и когерентных приемников оптического излучения. Фотодетекторы Детектирование оптических сигналов в оптических приемниках некоге- рентного и когерентного типов реализуется различными схемами, в которых первичным элементом является фотодетектор, как правило, какой-либо оди- ночный или спаренный фотодиод. Спаренные фотодиоды с одинаковыми ха- рактеристиками детектирования позволяют получить более высокое отношение сигнал/шум (около 3 дБ по величине фототока). Наиболее распространенные приборы для фотодетектирования это p-i-n, лавинные широкополосные и изби- рательные фотодиоды, отличающиеся в зависимости от конкретных исполне- 146 ний величиной квантовой эффективности, шумами и быстродействием (поло- сой пропускания детектированного сигнала). Учитывая многообразие форматов оптической модуляции, в схемах приемников оптических сигналов реализуются оптические компоненты для некогерентного и когерентного (с использованием оптического гетеродина) детектирования. При этом детектирование может быть аналоговым, когда выделяется непрерывный сигнал после детектора с после- дующим электронным преобразованием для восстановления информационного сообщения (гетеродинные оптические системы), и цифровым, когда уже опти- ческая схема позволяет восстановить цифровой формат информационного со- общения и затем фотодетектору произвести его преобразование в электронный формат. При когерентном детектировании в схеме приемника появляются опти- ческий гетеродин с устройством смешивания сигнала приема и гетеродина, цепь управления или стабилизации гетеродина. После фотодетекторов, как правило, устанавливаются схемы широкополосных (согласованных по полосе с информа- ционным сигналом) малошумных электронных усилителей, которые позволяют принятые сигналы в последующих схемах сделать пригодными к цифровой об- работке по алгоритмам декодирования, коррекции искажений и т. д. 3.4.1. Структуры и схемы прямых приемников оптического излучения Типовые структуры и схемы приемников оптических сигналов с прямым детектированием представлены на рис. 3.39–3.44. На рис. 3.39 изображены простейшие схемы фотоприемников с одним и парой (балансных) фотодиодов, подключенных к схемам трансимпедансных усилителей (ТИУ, в литературе на английском TIA, TransImpedance Amplifiers). Такие схемы применяются в качестве предварительных для детектирования аналоговых сигналов и их усиления, обеспечивающего наибольшее соотноше- ние сигнал/шум. Рис. 3.39. Схемы приемников оптических сигналов ASK с прямым детектированием 147 При использовании оптической двухчастотной передачи от одного источ- ника может использоваться схема с оптическими полосовыми фильтрами (рис. 3.40). Рис. 3.40. Структура приемника оптического сигнала FSK c прямым детектированием Особенностью схем приемников цифровых сигналов (некогерентных и ко- герентных) с кодированием является использование оптической схемотехники, позволяющей реализовать совместно с передатчиками эффективные, с точки зрения использования полосы оптического канала и помехоустойчивости, фа- зовые методы модуляции и демодуляции, например, BPSK, DQPSK, D8PSK и другие, рассматриваемые в разделе 4. На рис. 3.41–3.44 представлены структуры входных цепей оптических цифровых приемников, среди которых необходимо выделить также приемники, поддерживающие прием двух ортогональных по поляризации волн средствами поляризационных разветвителей (демультиплексоров) PBS (Polarization Beam Splitters), каждая из которых имеет свой формат модуляции. Особенностью всех схем приемников является использование разветвителей 2×2 и интерферометров Маха–Зендера (MZDI) с включением в их параллельных каналах линий оптической задержки импульсов на тактовый интервал, обознача- емый τ , и фазовых задержек с различной кратностью π (π/2; π/4; π/8 и т. д.). Рис. 3.41. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала DPSK 148 Рис. 3.42. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала DQPSK Рис. 3.43. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала D8PSK 149 Рис. 3.44. Структура входной цепи некогерентного приемника оптического сигнала с двойной поляризацией DP (Dual-Polarization) Также необходимо отметить, что все оптические входные цепи вносят по- тери оптической мощности, т. е. каждый разветвитель 1×2, 2×2 понижает опти- ческую мощность из-за деления как минимум в 2 раза, т. е. в логарифмическом масштабе 3 дБ. Например, в схеме рис. 3.44 снижение мощности в одном из восьми каналов приемника составит более 9 дБ, т. е. более чем в 8 раз. Кроме того, дополнительные потери мощности обусловлены PBS, потерями в оптиче- ских волноводах. В целом все потери приводят к уменьшению одного из клю- чевых параметров передачи в оптических каналах – оптическому отношению сигнал/шум (OSNR, Optical Signal-to-Noise Ratio). Для компенсации указанных потерь в оптических цепях приемника обычно используется малошумящий оптический усилитель, который обеспечивает повышение чувствительности оптического приемника. Также повышение чувствительности оптического при- емника достигается использованием когерентного приема. 3.4.2. Структуры и схемы когерентных приемников оптического излучения На рис. 3.45–3.49 представлены некоторые примеры структур и схем опти- ческих когерентных приемников, в которых применяются спаренные (баланс- ные) фотодетекторы, оптические гетеродины (LO, Local Oscillator), фазовраща- тели (π/4, π/2, π) и поляризаторы (PS, PBS). Оптические схемы, как правило, вы- полняются в виде интегральной сборки с пассивными (рис. 3.45) и активными компонентами (рис. 3.47) – перестраиваемыми лазерами LO (SG-DBR до 40 нм). 150 Рис. 3.45.Структура входной цепи простого когерентного приемника оптического сигнала и схема ее реализации в интегральной сборке К особенностям схем когерентных оптических приемников также относят- ся цепи управления оптическим гетеродином, т. е. схемы могут быть выполне- ны для различных условий оптического когерентного приема: ─ гетеродинный несинхронный прием (рис. 3.48); ─ гетеродинный синхронный прием с управлением LO; ─ гомодинный синхронный прием (рис. 3.49) с подстройкой частоты, фазы и по- ляризации LO (OPLL, Optical Phase Locked Loop). При этом подстройка обеспечивается изменением напряжения в цепи управления лазера (OVCO, Optical Voltage Controlled Oscillator). Основным видом когерентного приема в современных и перспективных си- стемах является синхронный гомодинный прием с использованием петли управления фазо-частотными характеристиками LO (PFD, Phase/freguency Detector). Рис. 3.46. Структура входной цепи когерентного приемника оптического сигнала с двойной поляризацией DP (Dual-Polarization) 151 Рис. 3.47. Исполнение входной цепи когерентного приемника [49] Рис. 3.48. Когерентный оптический приемник с цифровой обработкой сигнала [49] Несинхронные схемы когерентных приемников могут использоваться для несложных форматов оптической модуляции, как правило, только двухуровне- вых сигналов (RZ, NRZ, DPSK) совместно со сложной цифровой обработкой в сигнальном процессоре (DSP, Digital Signal Processing). 152 Рис. 3.49. Когерентный гомодинный оптический приемник с фазо-частотной подстройкой оптического гетеродина LO [49] 3.4.3. Конструкции и характеристики фотодетекторов Для реализации когерентного приема в оптических системах используют фо- тодетекторы с определенным набором выполняемых требований: высокой чув- ствительности (т.е., наибольшее соотношение фототока и падающей на детектор мощности, А/Вт); минимальных квантовых и тепловых шумов; полос частот, соответствующих детектируемым сигналам; широкому диапазону мощности на входе; термоустойчивости характеристик; интегрируемости в оптические схе- мы. В качестве фотодетекторов для когерентных систем используют не только традиционные фотодиоды конструкций трехслойной p-i-n (рис. 3.50, а) и четы- рехслойной APD (лавинные фотодиоды) (рис. 3.50, б), имеющих минимальные шумы, но и приборы новых конструкций, например, MSM-TWPD (metal– semiconductor–metal traveling-wave photodetecor – фотодетектор бегущей волны в конструкции металл–полупроводник–металл) с последовательным или парал- лельным сегментным применением микро p-i-n диодов и лавинные фотодиоды с квантовыми ямами APD-MQW. Они имеют более широкую полосу пропуска- ния (до 500 ГГц), высокую квантовую эффективность (чувствительность) и мо- гут работать при достаточно больших мощностях оптического излучения на входе, что, в свою очередь, актуально при когерентном приеме, т. е. когда сиг- нал оптического гетеродина многократно превосходит информационный сигнал из оптической линии. Также современные приборы детектирования наделяются свойствами волновой селективности. В качестве материалов для фотодиодов применяют Ge, InGaAs и другие (рис. 3.51), соответствующие своими энергети- ческими характеристиками рабочим волнам. Высокое быстродействие лавинных фотодиодов APD-MQW и высокая квантовая эффективность достигнуты применением многослойного, состоящего из двух видов материалов (рис. 3.52) AlGaAs/GaAs с различной шириной за- 153 прещенной зоны (рис. 3.53). Такая структура слоя лавинного умножения полу- чила название сверхрешетки [43]. В физике полупроводников под термином «сверхрешетка» принято пони- мать твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решетки имеется дополнительный потенциал, период которо- го существенно превышает постоянную решетки. а б Рис. 3.50. Конструкции традиционных приборов p-i-n-фотодиода и ЛФД Рис. 3.51. Характеристики поглощения оптического излучения различными материалами 154 Различают следующие виды сверхрешеток: композиционные сверхрешет- ки – эпитаксиально выращенные периодически чередующиеся тонкие слои по- лупроводников с различной шириной запрещенной зоны; легированные сверх- решетки – периодический потенциал образуется путем чередования ультратон- ких слоев n- и p-типов полупроводника, которые отделяются друг от друга не- легированными слоями; спиновые сверхрешетки – образованные периодиче- ским чередованием слоев одного и того же полупроводника, одни слои легиру- ются немагнитными примесями, а другие – магнитными, без магнитного поля энергетическая щель во всей сверхрешетке постоянна, периодический потенциал возникает при наложении магнитного поля; сверхрешетки, сформированные в двумерном электронном слое (например в системе МДП: металл–диэлектрик– полупроводник) путем периодической модуляции плоскости поверхностного заряда; сверхрешетки, потенциал в которых создается периодической деформа- цией образца в поле мощной ультразвуковой или стоячей световой волны. Рис. 3.52. Конструкция лавинного фотодиода APD MQW Еще одна причина применения сверхрешеток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов и требуемых напряжений смещения. Также преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного раз- множения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдель- ных слоев лежат между 100 и 500 Å. 155 Рис. 3.53. Структура сверхрешетки MQW слоя умножения лавинного фотодиода На рис. 3.53 буквенными индексами обозначено: Ec – энергетический уро- вень свободных носителей зарядов (электронов); Ev – энергетический уровень валентной зоны связанных электронов и свободных положительных зарядов (дырок); E F – энергетический уровень Ферми примесных полупроводников. Одной из разновидностей современных конструкций фотодетекторов типа p-i-n, помимо MSM-TW-PD [46], стали приборы UTC-PD (Uni-Travelling-Carrier Photodetecor), TW-PD [47], TW-UTC-PD [48]. Фотодиоды UTC-PD отличаются от обычных p-i-n сокращением времени дрейфа носителей заряда (дырок и электронов) после их образования от воздей- ствия фотонов на носители зарядов в кристаллах (рис. 3.54). При этом для по- ложительных носителей (дырок) создается короткий путь, а для электронов по- вышенная скорость дрейфа. Рис. 3.54. Энергетические диаграммы уровней UTC-PD (а) и p-i-n (б) Фотодиоды TW-PD имеют два варианта конструктивного оформления: по- следовательное включение микро p-i-n-фотодиодов с определенным периодом (рис. 3.55, а) и параллельное включение микро p-i-n-фотодиодов (рис. 3.55, б). 156 Периодичность размещения микрофотодиодов связана с длиной волны, на ко- торой требуется получение максимальной квантовой эффективности, что в та- ком случае способствует селективности. Замена в этих конструкциях p-i-n- фотодиодов на приборы UTC-PD повышает быстродействие, т. е. расширяет полосу частот детектируемых сигналов (рис. 3.56). а) последовательный фотодиод TW-PD б) параллельный фотодиод TW-PD Рис. 3.55. Фотодиод бегущей волны с последовательным (а) и параллельным (б) размещением p-i-n-фотодиодов Фотодетекторы с управляемыми селективными свойствами строятся на основе оптических избирательных систем с решетками Брэгга, резонаторами Фабри–Перо [44] и резонаторами кольцевого типа [45]. Один из примеров кон- струкции такого прибора представлен на рис. 3.57, где селективные управляе- мые свойства реализованы многослойной структурой на основе брэгговских 157 решеток (DBR) и поддержкой высокой чувствительности секциями из p-i-n- фотодиодов. Рис. 3.56. Нормированные коэффициенты передачи фотодетекторов Рис. 3.57. Пример конструкции селективного перестраиваемого фотодетектора секционного типа Пример характеристик перестраиваемой селективности фотодетектора при- веден на рис. 3.58, где показаны экспериментальные характеристики квантовой эффективности управляемого прибора в диапазоне волн селекции 1530–1580 нм. Полоса пропускания на каждой волне составляет около 10 ГГц по уровню –3 дБ. Для выполнения операций переключения волновых каналов, оптимизации использования волновых диапазонов (grooming – обобщенный термин, характе- ризующий различные пути улучшения использования ресурсов оптических се- тей) и т. д. в состав интегрированных оптических схем включаются волновые конверторы (рис. 3.59, 3.60), которые имеют малые габариты, малое потребле- ние энергии. Использование полупроводниковых оптических усилителей, фо- тодетектора и перестраиваемого лазера в составе конвертора волн позволяет реализовать малогабаритные, контролируемые и управляемые устройства для гибкого построения оптической сети. 158 Рис. 3.58. Пример измеренных характеристик ФД с перестройкой [44,45] Рис. 3.59. Структура интегрального волнового конвертора Рис. 3.60. Конструкция интегрального волнового конвертора 159 Контрольные вопросы 1. Какие структуры оптических передатчиков различают при классифика- ции? 2. Чем характеризуют оптические передатчики с прямой модуляцией? 3. Какие преимущества имеют передатчики с внешней модуляцией? 4. Какие особенности имеет структура оптического передатчика с двойным модулятором? 5. Какие требования предъявляют к источникам излучения когерентных ВОСП? 6. Какие конструкции лазеров в большей степени пригодны для когерент- ных ВОСП? 7. С какой целью в лазерах реализуется управление излучением? 8. Какие способы перестройки лазеров возможны? 9. Что предусмотрено в конструкции лазера SG-DBR для перестройки? 10. Какой диапазон перестройки волн излучения имеет лазер SG-DBR? 11. Что особенного в конструкции лазера DS-DBR? 12. Что в конструкции лазера GCSR обеспечивает независимое управление мощностью излучения? 13. Почему в конструкции лазера LGLC получен диапазон перестройки до 65 нм? 14. Чем производится перестройка волн излучения в лазере MGY? 15. Какое устройство определяет волну излучения и ее перестройку в лазе- ре ECL? 16. Чем характеризуют все типы перестраиваемых лазеров когерентных систем? 17. Чем отличаются форматы модуляции RZ и NRZ? 18. Что принято считать параметрами модуляции? 19. Какой физический эффект является основой функционирования моду- лятора EAM? 20. Чем определяется полоса частот модулирующего сигнала для EAM? 21. Что входит в конструкцию модулятора MZM? 22. Что подлежит управлению в модуляторе MZM для формирования мо- дулированного по интенсивности оптического сигнала? 23. Какая основная проблема у простых модуляторов EAM, MZM? 24. Какие конструкции оптических модуляторов позволяют при увеличе- нии скорости передачи информационных данных не расширять полосу частот модулированного сигнала? 25. Чем оправдано использование сложных схем оптических модуляторов? 26. Что входит в состав приемников оптических сигналов когерентного и некогерентного типов? 27. Какое преимущество имеют балансные (спаренные) схемы фотоприем- ников? 28. Для чего в оптических цепях приемников используют MZDI? 160 29. Что входит в состав оптических гибридных схем? 30. Какие конструкции фотодетекторов имеют наивысшую полосу частот пропускания? 31. Чем отличаются конструкции фотодиодов APD-MQW от фотодиодов UTC-PD, TW-UTC-PD? 32. С какой целью можно перестраивать фотодетектор по длине волны максимальной чувствительности? 33. Что входит в состав интегрального волнового конвертора? 161 4. ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ПЕРЕДАТЧИКАХ В предлагаемом разделе рассматриваются принципы формирования раз- личных оптических сигналов в передатчиках когерентных систем и сетей. При этом указано, что формируемые сигналы должны отвечать определенному набору требований, обусловленных областью использования систем, дистанци- ями организации оптических каналов и секций, требуемыми скоростными ре- жимами передачи цифровых данных, контролем качества передачи, технико- экономическими показателями и др. К определенному набору требований относятся: ─ максимально эффективное использование полосы частот оптического канала (бит/с/Гц), т. е. наибольшее возможное число информационных бит в единицу времени 1 сек в полосе частот 1 Гц ; ─ максимальная помехоустойчивость оптического канала, оцениваемая оптическим отношением OSNR, т. е. нормальная работоспособность оптиче- ского канала (выполнение заданного коэффициента ошибок BER, Bit-Error Rate) при минимальном OSNR; ─ устойчивость к линейным (хроматическая и поляризационные диспер- сии) и нелинейным (ФСМ, ФКМ, ВКР, ВРМБ, ЧВС) искажениям; ─ минимальная сложность оптической и электронной схемотехники, инте- грируемость компонентов и малые массогабаритные показатели, технологич- ность в производстве; ─ возможность перестройки передатчиков на различные волны в преде- лах стандартных диапазонов оптических волокон; ─ стабильность характеристик модулированных оптических сигналов; ─ наличие в спектре модулированного оптического сигнала частот для синхронизации приемной стороны для использования при цифровой обработке; ─ минимальная стоимость передатчиков при их серийном производстве. В полной мере удовлетворить вышеприведенным требованиям могут толь- ко оптические передатчики с внешней модуляцией излучения одномодовых узкополосных лазеров. При этом почти все возможные параметры модуляции излучения (кроме модуляции в пространстве, что для волоконных линий не рассматривается) подлежат рассмотрению (рис. 4.1). Параметрами модуляции оптического излучения могут быть: амплитудное значение (интенсивность или мощность в единицу време- ни через единицу площади); фаза излучения или фаза импульсной посылки; комплексное значение амплитуды и фазы; поляризация оптического излучения; частота (волна) оптического излучения; кодовое наложение на оптическое излучение; временные позиции импульсных посылок оптического излучения. 162 Рис. 4.1. Возможные оптические модуляционные форматы и варианты оптического мультиплексирования в оптических передатчиках когерентных систем [26, 49] Модуляция в оптических передатчиках может сочетаться с мультиплекси- рованием информационных потоков и оптических модулированных сигналов. Например, доступ к оптическому каналу производится с применением различ- ных кодовых комбинаций (OCDMA, Optical Code Division Multiple Access), или мультиплексированием временных позиций информационных сигналов в электронном (ETDM, Electrical Time Division Multiplexed) или оптическом форматах (OTDM, Optical Time-Division Multiplexing). На рис. 4.1 сосредоточены обозначения большинства модуляционных форматов и технологий оптического мультиплексирования. Краткая характеристика модуляционных форматов и технологий оптического мультиплексирования PolSK, Polarization Shift-Keying , манипуляция поляризацией оптического излучения; PM, Polmultiplexing, поляризационное мультиплексирование оптических сигналов; PPM, Pulse Position Modulation, модуляция позиции импульсов; Manchester, группа линейных кодов класса 1В2В; PSK, Phase-Shift-Keying , манипуляция фазой; BPSK, Binary Phase-Shift Keying, двоичная фазовая манипуляция; DPSK, Differential Phase Shift Keying, дифференциальная (раздельная) фа- зовая манипуляция; 163 DQPSK, Differential Quaternary Phase Shift Keying, дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция; DnPSK, Differential n (8, 16, 32 и т. д.) Phase Shift Keying, дифференциаль- ная многопозиционная фазовая манипуляция; QAM, Quadrature-Amplitude-Modulation, квадратурная амплитудная моду- ляция; M-QAM, M = 8, 16, 32, 64, 128, 256 Quadrature-Amplitude-Modulation, мно- гопозиционная квадратурная амплитудная модуляция; VSB, Vestigial Side Band, амплитудно-модулированный сигнал с частично подавленными боковыми полосами частот; SSB, Single-Side-Band, амплитудно-модулированный сигнал с одной боко- вой полосой частот; ASK, Amplitude Shift Keying, амплитудно-манипулированный сигнал; APSK, Amplitude- and Phase-Shift-Keying , амплитудно- и фаза- манипулированный сигнал; CSRZ, Carrier Suppressed Return to Zero, формат с возвращением к нулю и подавление несущей частоты; Характеристика производных форматов модуляции AMI, Alternate Mark Inversion, кодирование с инверсией; DB, Doubinary, доубинарная модуляция; NRZ, RZ, CRZ, Non-Return-to-Zero, Return-to-Zero, Chirped RZ, модуляция без возвращения к нулю, модуляция с возвращением к нулю, модуляция с ча- стотным предискажением (для протяженных линий); FSK, Frequency-Shift Keying, частотная манипуляция; CFSK, Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK), непрерывная фазочастотная манипуляция; MSK, Minimum-Shift Keying, минимальная манипуляция; Wideband FSK, широкополосная частотная манипуляция; WDM, CWDM, DWDM, wavelength-division multiplexing, Coarse WDM, Dense WDM, мультиплексирование с разделением по длине волны (разрежен- ное и плотное); OFDM, Optical Frequency-Division Multiplexing and Orthogonal Frequency Division Multiplexing, оптическое частотное мультиплексирование, ортогональ- ное частотное мультиплексирование; OCDMA, Optical Code Division Multiple Access, множественный доступ с оптическим кодовым разделением; ETDM, Electrical Time Division Multiplexed, электрическое мультиплекси- рование с временным разделением (используется в технологиях PDH, SDH, OTH); OTDM, Optical Time Division Multiplexed, оптическое мультиплексирова- ние с временным разделением; OOK, On-Off Key, включено – выключено (вид манипуляции оптическим сигналом); 164 OSSB, optical single-side-band, оптический сигнал с одной боковой полосой частот; PM-QPSK, Polarization-Multiplexed QPSK, поляризационно-мультиплекси- рованный сигнал OPSK; PS-QPSK, Polarization-Switched-QPSK [50], поляризационно-коммути- руемый сигнал QPSK. Из приведенного перечня форматов модуляции определился конкретный набор наиболее подходящих под требования для когерентных высокоскорост- ных систем модулированных оптических сигналов: фазовой модуляции FSK; модуляцией интенсивности QAM и ASK; модуляцией частот FSK. Также можно составит перечень и для видов мультиплексирования опти- ческих сигналов в когерентных оптических системах: с разделением по длине волны WDM, OFDM; с разделением по поляризации PM; с разделением по вре- мени ETDM; с кодовым разделением OCDMA. Реализация указанных форматов модуляции производится в оптических схемах с одним, двумя и большим числом ступеней MZM, включенных после- довательно (каскадно) и параллельно (рис. 3.1, в, 3.32–3.37). При этом возмож- но построение схем модуляторов в трех вариантах первой ступени. В первом варианте (рис. 4.2) излучение узкополосного лазера поступает в формирователь оптических импульсов трех способов получения форматов (рис. 4.3), задаваемых электрическим сигналом, близким к синусоидальному и кратному тактовой частоте информационного сигнала, и постоянным напряже- нием смещения (U см ), где U π полуволновое напряжение. На второй (и последу- ющих) ступени модулятора импульсы электрического сигнала, представляю- щие собой кодовые комбинации информационного сигнала, управляют оптиче- скими импульсами от первой ступени (фазой импульсов, амплитудой импуль- сов, поляризацией импульсов). Рис. 4.2. Первый вариант построения оптического передатчика со ступенями формирования канального сигнала 165 Выбор напряжения смещения первой ступени позволяет формировать импульсы оптического излучения различных пропорций «возврата к нулю» на уровне половины мощности импульса, т. е. RZ, что необходимо для получения различного спектрального состава оптического излучения, например, с подав- лением оптической несущей частоты для формата CSRZ (Carrier-Suppressed RZ) (рис. 4.4). Примеры расчетов спектрального состава для различных форматов приведены в [54]. а б Рис. 4.3. Формирование оптических импульсов на первой ступени модулятора в пределах полуволнового напряжения U π с сохранением тактов (RZ50 %) – а; два способа формирование оптических импульсов на первой ступени с использованием размаха 2U π модулятора с удвоением тактов (CSRZ) – б 166 Во втором варианте излучение поступает на модулятор, в котором проис- ходит изменение его интенсивности по формату модулирующего сигнала вида CSRZ, при котором соседние оптические импульсы имеют фазы 0 и π. На вто- рой (и последующих) ступени формируется линейный оптический сигнал по заданному формату с согласованием тактов информационного сигнала (рис. 4.5). Рис. 4.4. Зоны формирования формата RZ (33 %, 50 % и 66 %) оптических импульсов в первой ступени оптического модулятора Рис. 4.5. Второй вариант построения оптического передатчика со ступенями формирования канального сигнала Первый вариант дает более наглядное представление о процессах модуля- ции в оптических системах и в дальнейшем в основном используется в учебном пособии для раскрытия некоторых принципов формирования линейных (ка- нальных) оптических сигналов когерентных систем. При этом достоинства и возможности модуляторов второго варианта не являются худшими. Для создания математической модели различных форматов модуляции используется упрощенное представление о электрическом поле идеализирован- 167 ного оптического излучателя непрерывной волны CW (Continuous Wave) в ком- плексной форме [53] s s t s j s e e P t ) ( cw ) ( Е , где s P – представление поля амплитуды, 2 / s – частота, s – начальная фаза и s e – поляризация оптической несущей. Буквенный индекс «S» указывает на сигнал лазера. На практике фаза и амплитуда изменяются случайно и характеризуются «интенсивностью шума», т. е. не обнаруживаются с высокой точностью. Это обусловлено спонтанностью индуцируемых фотонов с флуктуацией интенсив- ности ) (t P и флуктуациями фазы с образованием фазового шума ) ( ns t s t ns s t s j s e e t P P t )) ( ( cw ) ( ) ( Е Спонтанный шум лазера должен учитываться при формировании модули- рованного оптического сигнала и для этого флуктуации фазы оцениваются на определенном временном интервале τ, который устанавливает диапазон слу- чайных изменений ) ( ) ( ) ( ns t t t ns ns Так как порождаемое число фотонов в лазере велико, то процесс может быть представлен Гауссовской моделью белого шума с определяемой спек- тральной плотностью мощности шума ) ( ns t . Для такого случая известна связь между интервалом времени τ и временной когерентностью через оценку c ns t W t 2 ) ( ns 2 , где ns W – постоянная спектральная плотность мощности частотного шума, т. е. шума, порожденного случайным изменением фазы, t c – временная коге- рентность. Постоянная величина спектральной плотности мощности шума, порож- денного флуктуациями интенсивности (мощности) излучения лазера, представ- ляется Лоренцевой характеристикой 2 ] ) [( 1 2 ) ( c s s c cw E t P t W 168 Ширина спектра излучения лазера на уровне половины максимальной мощности определяется плотностью спектральной интенсивности частотного шума на интервале или временной когерентностью c ns s t W 1 2 Также увязывается оценка ширины спектра излучения лазера с оценкой случайных изменений фазы на интервале τ s 2 ) ( ns 2 Учитывая, что лазеры в когерентных системах используются не только в пе- редатчиках, но и в приемниках, для них введены характеристики относительной интенсивности шума в полосе частот излучения RIN (Relative Intensity Noise). Ти- повые значения для лазерных диодов в пределах − 160 дБ/Гц… − 130 дБ/Гц. Таким образом, использование в системах передачи различных форматов модуляции может быть основой для определения требования к источникам излучения по ширине спектральной линии, по интенсивности шумов. На что влияют эти характеристики? На количество уровней мощности излучения, используемых для кодирования информационных сигналов, на количество фа- зовых состояний излучения, используемых для кодирования информационных сигналов и т. д. Прямое использование модуляции амплитуды, частоты, фазы оптического излучения ограничено вышерассмотренными шумами и в практических схемах применяется только при модуляции амплитудной составляющей, т. е. прямой модуляции интенсивности излучения, что для высокоскоростной передачи в магистральных сетях (от 10 Гбит/с до 1 Тбит/с) неприменимо из-за многократ- ного расширения спектра и дисперсионных искажений. В конечном итоге эти обстоятельства привели к обоснованному использованию двух и более ступе- ней модуляторов. При этом создаются вполне определенные импульсные по- сылки излучения из непрерывного излучения лазера, которые затем становятся предметом управления в модуляторах (по фазе на одной частоте PSK или на не- скольких, с квадратурными состояниями, по интенсивности ASK, смешанно по фазе и интенсивности ASK-PSK, с бинарными, квадратурными и другими со- стояниями). Для наглядного представления процедур формирования оптических сигна- лов в модуляторах часто используются, помимо временных диаграмм, отобра- жения состояний сигналов в круговых диаграммах (рис. 4.6), где по горизон- тальной оси (Re{E}, где Е – электрическая составляющая оптического поля) отмечаются амплитудные значения сигнала для одной и двух полярностей (ма- лые круги на рис. 4.6), что соответствует двум, трем и большему числу уровней мощности излучения, а по вертикальной оси (Im{E}) отмечаются фазовые сдви- ги оптических импульсов также с двумя, тремя и большим числом состояний фазы. Учитывая существование смешанных решений по модуляции амплитуды |