Основные характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи
1.
Основные характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи
За последний период развития в области связи, наибольшее
распространение получили оптические кабели (ОК) и волоконно-оптические системы
передачи (ВОСП), которые по своим характеристикам намного превосходят все
традиционные кабели системы связи. Связь по волоконно-оптическим кабелям,
является одним из главных направлений научно-технического прогресса. Оптические
системы и кабели используются не только для организации телефонной городской и
междугородней связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонирования,
радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и т.д.
Для любой системы важное значение имеют три
фактора:
· информационная емкость системы, выраженная
в числе каналов связи, или скорость передачи информации, выраженная в бит в
секунду;
· затухание, определяющее максимальную длину
участка регенерации;
· стойкость к воздействию окружающей среды.
Волоконно-оптические линии связи по сравнению с
обычными кабельными линиями имеют следующие преимущества:
· Высокая помехоустойчивость,
нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие
перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель.
· Значительно большая широкополосность.
· Малая масса и габаритные размеры. Что
уменьшает стоимость и время прокладки оптического кабеля.
· Полная электрическая изоляция между входом
и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и
приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая
оборудования.
· Отсутствие коротких замыканий, вследствие
чего волоконные световоды могут быть использованы для пересечения опасных зон
без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара в зонах с горючими и
легковоспламеняющимися средами.
· Потенциально низкая стоимость. Хотя
волоконные световоды изготавливаются из ультра чистого стекла, имеющего примеси
меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость
не велика. Кроме того, в производстве световодов не используются такие
дорогостоящие металлы, как медь и свинец, запасы которых на Земле ограничены.
Стоимость же электрических линий коаксиальных кабелей и волноводов постоянно
увеличивается как с дефицитом меди, так и с удорожанием энергетических затрат
на производство меди и алюминия.
К недостаткам оптических кабелей можно отнести:
· подверженность волоконных световодов
радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;
· водородная коррозия стекла, приводящая к
микротрещинам световода и ухудшению его свойств.
Сравнение волоконно-оптические
линии связи с обычными кабельными линиями представлено в таблице 1.
оптический волоконный электронный передача
Табл. 1 Сравнение по методу аналогий
|
Волоконно-оптическая
линия связи
|
Радио/беспроводная/
проводная линия связи
|
Комментарий
|
|
Электрооптический
преобразователь
|
Модулятор или
формирователь сигнала
|
Все три случая
требуют какого-то преобразования формы сигнала, напр., AMI в NRZ
|
|
Источник
оптического сигнала
|
Источник сигнала
(передатчик или модем)
|
Выход источника
сигнала, как правило низкого уровня
|
|
Волоконно-оптическая
среда передачи
|
Передача
радиосигнала через атмосферу или радио / аудио сигнала по медным проводам
|
|
|
Детектор
оптического сигнала
|
Приемник или
демодулятор модема
|
Порог
срабатывания приемника во всех 3 случаях определяет показатели ошибок
|
|
Схема
формирования выходного сигнала
|
Выход приемника
или модема и формирователь сигнала
|
|
Причины и степень их влияния на ухудшение показателей систем
передачи перечислены в таблице 2.
Табл. 2 Сравнение влияния разных причин на
ухудшение показателей различных систем передачи
|
Показатель/
причина
|
Радиосистемы и
беспроводные системы
|
Проводные
системы
|
ВОПС
|
|
ВЕR
|
1´10-9
|
1´10-10
|
1´10-12
|
|
Потери линии
(дБ)
|
Принципиальные
ухудшения
|
Принципиальные
ухудшения
|
Принципиальные
ухудшения
|
|
Дисперсия
|
Могут быть
ухудшения при большой скорости
|
Не являются
первопричиной ухудшения
|
Могут быть
ухудшения при большой скорости
|
|
Замирания
|
Влияют
|
Нет
|
Нет
|
|
Накопленный
джиттер
|
Умеренно влияет
|
Сильно влияет
|
Мало влияет
|
|
Незащищенность
|
Низкая
|
Средняя
|
Высокая
|
|
Емкость канала
|
Низкая/средняя
|
Низкая/средняя
|
Очень высокая
|
|
Потери
поглощения при дожде
|
Основные потери
на частоте 10 ГГц
|
Нет
|
|
ЭМС:
чувствительность к электромагнитному излучению
|
Существует
|
Существует
|
Нет
|
|
ЭМС: генерация
электромагнитного излучения
|
Существует
|
До некоторой
степени
|
Нет
|
Рис. 1. Частотный спектр выше 300 МГц, где
показано положение рабочей области ВОСП
Рис. 2. Затухание оптического волокна в
зависимости от длины волны (показаны три окна прозрачности, используемые для
ВОСП)
2.
Элементная база современных ВОСП
Основой современных систем ВОЛС являются оптические излучатели,
представляющие собой оптические квантовые генераторы света, оптические
квантово-электронные фотодетекторы, преобразующие кванты света (фотоны) в поток
электронов (электрический ток) и среда распространения оптического излучения -
световоды или оптические волокна.
.
Источники излучения
Основными компонентами источников
излучения в ВОСП являются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые
инжекционные лазеры. Эти устройства излучают свет в диапазоне длин волн от 0,75
до 1,6 мкм.
Сами устройства представляют кристалл в виде параллелепипеда,
торцевые грани которого образуют резонатор Фабри-Перо. Размеры резонатора
весьма малы: длина резонатора L=100…500 мкм и ширина 100 мкм, ширина активной
части области излучения 10 мкм, толщина 1 мкм. Малые габариты этих устройств
позволяют выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении,
кроме того источники света ВОСП должны обладать большой выходной мощностью,
допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты
и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения
в оптическое волокно с максимальной эффективностью.
При выборе источника излучения следует учитывать, что
диаграмма направленности у лазерных диодов уже, чем у СИД и, соответственно,
потери при вводе в волокно излучения выше у СИД. Однако стоимость и срок службы
у СИД на два порядка лучше, чем у лазерных диодов.
Светоизлучающие
диоды
Светоизлучающие диоды - СИДы, используемые в
связи, излучают свет в близкой ИК области. Они недороги, по сравнению с
большинством лазеров. Первоначально СИДы использовались с многомодовым
волокном, учитывая, что они излучали свет в широком конусе, который мог быть
захвачен эффективно только многомодовым волокном, имеющим большую числовую
апертуру.
Рис. 4 Поперечный разрез СИДа с излучающей
поверхностью (а) и СИДа с излучающим срезом (б)
Лазерные
диоды
Если системные требования не так строги,
то в качестве источника света обычно выбирается СИД. Лазерные диоды
обычно используются для линий связи большой длины или при большой скорости
передачи (выше 155 Мбит/с).
Существует несколько типов ЛД:
· многомодовые (MLM) или с резонаторами
Фабри-Перо;
· одномодовые (SLM);
· одномодовые с распределенной
обратной связью (DFB), часто называемые DFB-лазерами;
· DFB-лазеры с внешним
модулятором;
· лазеры с вертикальной
резонаторной полостью и излучающей поверхностью (VCSEL).
Принцип действия полупроводниковых лазеров (ППЛ) основан на
вынужденной излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар, в активных
полупроводниковых структурах, получаемых при прохождении через такие структуры
электрического тока накачки. Наибольшее распространение получили лазеры на
гетероструктурах (гетеролазеры), лазеры с распределенной обратной связью
(РОС-лазеры) и лазеры на квантоворазмерных структурах (КРС-лазеры).
Современные ППЛ, применяемые в системах оптической связи,
обычно работают в спектральных диапазонах высокой прозрачности кварцевого
оптоволокна - 0.82-0.90 мкм, 1.30 - 1.33 мкм и около 1.55 мкм. Типичная
мощность излучения таких ППЛ от 1 до 5 мВт; увеличение выходной мощности ППЛ
для магистральных ВОСПИ сверх 5-10 мВт нецелесообразно, так как срок действия
мощных лазеров сравнительно невелик. Кроме этого, при больших плотностях
мощности в одномодовом волокне заметную роль начинают играть
нелинейно-оптические явления - ВКР, ВРМБ и др., приводящие к искажениям
передаваемых сигналов. Ширина спектра излучения лучших образцов промышленных
полупроводниковых лазеров около 0.1 нм при уровне боковых частот ниже 20 дБ. В
одночастотных ППЛ, используемых в системах когерентной оптической связи,
полуширина спектра генерации менее 500 МГц. Величина порогового тока накачки
РОС-лазеров составляет несколько десятков мА, у ППЛ на основе квантоворазмерных
структур пороговый ток накачки существенно меньше - от 3 до 15 мА. Как правило,
ППЛ для ВОЛС выпускаются в виде компактных оптоэлектронных модулей, содержащих
сервисную электронику (усилитель подводимого сигнала, систему авторегулировки
мощности, температуры и др.), фотоприемник для контроля мощности выходного
излучения, терморезистор и полупроводниковый термоэлемент (элемент Пельтье) -
«холодильник», управляемый специальным электронным устройством и поддерживающий
стабильную рабочую температуру внутри модуля. В таком модуле излучение из
активной области ППЛ с использованием микролинз вводится в выходное одномодовое
или многомодовое оптоволокно. В последние годы выпуск отдельных излучательных
полупроводниковых модулей для ВОСПИ становится ограниченным, и гораздо большее
распространение в технике оптической связи находят приемо-передающие
оптоэлектронные модули, содержащие в едином компактном блоке полупроводниковые
излучатель и фотоприемник.
Частота модуляции современных коммерческих высокоскоростных
ППЛ составляет от нескольких десятков - сотен МГц до примерно 1.5 - 2.5 ГГц. В
уникальных образцах ППЛ достигнута скорость передачи сигналов свыше 25 Гбит/с.
В последние годы повышенный интерес разработчиков ВОСПИ
вызывают «викселы» - полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (VCSEL - vertical-cavity surface-emitting lasers). В таких лазерах
резонатор образован двумя объемными дифракционными решетками Брэгга и излучение
генерируется в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, являющейся
основанием гетеро- и квантоворазмерных слоев полупроводников. Благодаря
сверх-короткой длине L резонатора Фабри-Перо, викселы генерируют на одной
продольной моде, при этом диаметр выходного пучка лазера достигает 20-30 мкм,
что позволяет осуществлять его эффективную фокусировку в одномодовое волокно.
Пороговый ток викселов крайне мал - до 2-5 мА, мощность излучения около 1 мВт.
Приложением электрического поля в направлении оси резонатора
в некоторых (консольных) вариантах VCSEL удается осуществлять плавную
перестройку длины волны генерации в полосе длин волн 1530-1560 нм. Это создает
возможность эффективного применения викселов в перспективных ВОСПИ со
спектральным уплотнением (WDM и DWDM).
Табл. 3 Сравнительные характеристики
настраиваемых лазеров
|
Тип лазера
|
Преимущества
|
Недостатки
|
Применение
|
|
С
распределенной обратной связью (DFB)
|
стабильность
излучения в процессе производства
|
относительно
низкая выходная мощность; ограниченный диапазон настройки
|
для узкого
диапазона настройки; широко используется в длинных секциях
|
|
С
распределенным брэгговским отражателем (DBR)
|
высокая
скорость переключения
|
большая ширина
линии; нестабильность длины волны
|
сети доступа;
оптические мультиплексоры ввода-вывода
|
|
Типа (DBR) с выбранными решетками
|
широкий диапазон
настройки; высокая скорость переключения
|
низкая выходная
мощность; большая ширина линии; отсутствие непрерывной настройки
|
сети доступа;
региональные сети; оптические мультиплексоры ввода - вывода
|
|
С вертикальной
полостью и излучающей поверхностью (VCSEL)
|
малая ширина
линии при О/Р; низкое потребление; круговой луч; широкий диапазон настройки
|
низкая выходная
мощность при Е/Р; ограничен коротко- волновыми диапазонами 850/1310 нм
|
региональные
сети и сети доступа
|
|
С внешними
резонансными микрополостями
|
высокая
мощность; малая ширина линии; низкий уровень RIN; непрерывность и широкий диапазон настройки
|
скорость
настройки чувствительна к ударам и вибрациям
|
длинные и
ультра- длинные секции; OADM для
региональных сетей; сети с коммутацией
|
4.
Основные параметры промышленных источников светового излучения
Светоизлучающие диоды (СИД)
Выходная мощность СИД, в зависимости от
конструкции и производителя, лежит в пределах между 0,01 и 0,1 мвт (от -20 до
-10 дБм).
Существуют две нежелательные особенности у
СИД, которые проектировщик системы должен принимать во внимание:
. Угловая ширина излученного пучка:
а) для СИД с излучающей поверхностью -
порядка 120°;
б) для СИД с излучающим срезом - порядка
30°.
. Ширина спектра излучения: 30-80 нм.
СИДы производятся для работы в трех окнах
прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм. Однако, чаще всего они используются в первых
двух окнах: 850 и 1310 нм.
СИДы существенно дешевле в производстве,
чем ЛД; они имеют значительно больший срок службы и не требуют стабилизации
температуры при работе в нормальных условиях. Что же касается условий
светопередачи (на стыке СИД-волокно), то их эффективность мала. Однако, из двух
указанных типов, СИД с излучающим срезом значительно более эффективен, чем СИД
с излучающей поверхностью. Их применение обычно ограничено системами,
работающими на скорости 155 Мбит/с и ниже.
В ВОСП небольшой (0.1-1.0 км) протяженности, а также в
низкоскоростных (не боле 10 Мбит/с) ВОСП в качестве источников света нередко
используются полупроводниковые светодиоды, отличающиеся сравнительно малой
мощностью излучения (до 0.5 мвт) и большой (около 20 - 30 нм) шириной спектра
излучения. В основе действия светоизлучающих полупроводниковых диодов (СИД)
лежит спонтанная рекомбинация электронно-дырочных пар в активной области гетеро-либо
квантоворазмерной полупроводниковой структуры.
Диапазон рабочих длин волн современных СИД весьма широк - от
0.4 до 1.6 мкм. СИД активно используются и в технике систем индикации, в
осветительной и сигнальной технике; разработаны СИД с мощностью излучения до 30
мВт в диапазонах длин волн около 690, 590, 470 нм, а также различные типы СИД
белого свечения. Степень поляризации выходного излучения СИД близка к нулю. СИД
обычно используются в линиях передачи сигналов на основе многомодовых
волоконных световодов с большим (десятки-сотни мкм) диаметром сердцевины, в том
числе изготовленных из недорогих полимерных материалов. Удобно применение СИД и
в открытых системах связи с дальностью действия в пределах 100 м, используемых
на промышленных объектах и строительных площадках. Характерная особенность СИД,
применяемых в системах связи, - линейная ватт-амперная характеристика в широком
диапазоне токов накачки, что делает их весьма удобными в аналоговых
оптоэлектронных системах передачи и обработки сигналов. Основные достоинства
СИД - малая потребляемая электрическая мощность, дешевизна и значительная
долговечность (около 105 часов).
Табл. 4 Сводка основных параметров СИД с
излучающим срезом
|
Параметр
|
|
Выходная
мощность, излучаемая в одномодовое волокно (25°С) Числовая апертура (NA) Время нарастания / спада импульса
Ширина полосы излучения на уровне половины мощности Температурный коэффициент
мощности Изменение центральной длины волны с температурой Спектральное
уширение
|
2-50 мкВт 0,1 -
0,6 3 нс (максимум) 30-60 нм 1,2%/°С (типовое) 0,5-0,8 нм/°С 0,4 нм/°С
(типовое)
|
Лазерные диоды (ЛД)
Полупроводниковые лазерные диоды, как
правило, используются в качестве источников света в высокоскоростных (> 155
Мбит/с) системах дальней связи. Выходная мощность лазерных источников для
большинства производителей составляет порядка +3 - +10 дБм (1-10 мВт). Лазерные
диоды с большей мощностью (напр., +20 дБм) также начали появляться на рынке.
Сейчас достаточно поставить на выходе лазерного источника оптический усилитель,
например, типа EDFA чтобы увеличить его выходную мощность до 500 мВт или выше. Одной
из причин, заставляющих производителей выпускать лазеры с большей мощностью на
выходе, является широкое использование систем DWDM (плотного
мультиплексирования по длине волны). Линейные компоненты систем DWDM имеют высокие вносимые
потери. Использование таких высоких уровней выходной мощности вместе с
оптическими усилителями помогает преодолеть потери в системах DWDM. Лазеры, работающие на
таких больших уровнях мощности, принесли ряд проблем, в частности проблему
влияния большой мощности на оптические компоненты тракта передачи. Изоляторы,
используемые в качестве универсального устройства снижения световой энергии,
отраженной в сторону такого лазерного источника, имеют возвратные потери >
80 дБ, что позволяет эффективно снижать отраженную мощность.
Табл. 5 Сравнение характеристик СИД с
характеристиками некоторых типов лазерных диодов
|
Параметр
|
СИД типа ELED
|
FP
(MLM) - лазер
|
DFB-лазер с внешним модулятором
|
Лазер типа VCSEL
|
|
Длина волны, нм
|
850/1310
|
1310/1550
|
1550
|
850/1310
|
|
Мощность на
стыке с ОВ, дБм
|
-10 … -15
|
0,0
|
0,0
|
0,0
|
|
Спектральная
ширина линии, нм
|
30-60
|
< 3
|
<0,1
|
< 3
|
|
Максимальная
скорость, Гбит/с
|
< 0,155
|
>2
|
> 10
|
2
|
|
Тип волокна
|
многомодовое
|
одномодовое
|
со сдвигом
дисперсии
|
многомодовое
или одномодовое
|
|
Цена
|
низкая
|
умеренно
высокая
|
высокая
|
умеренная
|
|
MTBF,
часы
|
109
|
108
|
107
|
108
|
Сравнение ширины спектра излучения СИД и ЛД
На рис. 5 приведены для сравнения формы
спектральных линий СИД и лазерного диода.
Рис. 5 Типичные спектры линий, излучаемых
СИД и ЛД. Амплитуды спектральных линий были нормализованы (приведены к одному
значению).
Фактически пиковая интенсивность ЛД много
больше, чем у СИД.
Фотодетекторы
ВОСП
Фотодетекторы - это устройства, которые преобразуют
оптические сигналы в электрические идентичной формы. Существуют различные типы
детекторов, работающие на основе пиро-, термо- или фотоэлектрических эффектов.
Приемники для ВОЛС обычно представляют собой фотодетекторы, т.е.
фотоэлектрические устройства. В волоконно-оптической связи в качестве
фотоприемников используют только pin- и лавинные фотодиоды.
Основными требованиями предъявляемыми к фотодетектору
являются: фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического
сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой
широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, он
должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с
оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям
параметров внешней среды.
Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют
перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в
волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные
фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с
волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность
(может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что
позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при
использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения
источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного
умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от
напряжения и температуры.
Рис. 6 Обобщенная схема PIN-диодного детектора на
основе InGaAs. (a) вход с фронта; (б) вход с подложки (с тыла).
Рис. 7 Схема поперечного сечения структуры
APD.
Оптические
кабели
Современные проводные системы передачи строятся с
использованием практически только оптических кабелей (ОК). Основа оптических
кабелей - оптические волокна. В зависимости от назначения, условий прокладки и
эксплуатации разработаны и производятся ОК разных типов и конструкций.
Рис. 8 Структура оптического кабеля
Существуют три основных типа оптического
волокна (ОВ), отличающихся числом мод и своими физическими свойствами (cчитают, что этих типов
два: одномодовое и многомодовое):
· одномодовое волокно;
· многомодовое волокно со
ступенчатым профилем показателя преломления;
· многомодовое волокно с
градиентным профилем показателя преломления.
Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые
волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard
fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode
fiber) и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero
dispersion-shifted single mode).
Обратим внимание на то, что внешний
диаметр обоих типов волокон одинаков и составляет номинально 125 мкм. Однако
существует огромная разница в диаметрах сердцевины: 50 мкм для многомодового
волокна и 8,6-9,5 мкм для одномодового волокна. На практике существуют и другие
значения диаметров многомодового волокна, наиболее используемым из них является
62,5 мкм.
Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными
показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит распространение
светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. При
обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и
оболочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем
показателя преломления сердцевины. У многомодового градиентного волокна и
одномодового волокна со смещенной дисперсией показатель преломления сердцевины
зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения
технических характеристик или для достижения специальных характеристик волокна.
Если сравнивать многомодовые волокна между собой, то
градиентное волокно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое,
по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в
градиентном многомодовом волокне - основной источник дисперсии - значительно
меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей
пропускной способности у градиентного волокна.
Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр
сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия
межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует
использования более дорогих лазерных передатчиков.
Рис. 10 Профили показателей преломления и моды,
распространяющиеся в трех типах ОВ
· многомодовое градиентное волокно 50/125;
· многомодовое градиентное волокно 62,5/125;
· одномодовое ступенчатое волокно SF
(волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125;
· одномодовое волокно со смещенной
дисперсией DSF 8-10/125;
· одномодовое волокно с ненулевой смещенной
дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с
предыдущим типом волокна).
В стандартном многомодовом градиентном волокне (50/125 или
62,5/125) диаметр световедущей жилы 50 или 62,5 мкм, что на порядок больше
длины волны передачи. Это приводит к распространению множества различных типов
световых лучей - мод - во всех трех окнах прозрачности. Два окна прозрачности
850 и 1610 нм обычно используют для передачи света по многомодовому волокну.
В ступенчатом одномодовом волокне (SF) диаметр световедущей
жилы составляет 8 - 10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне
при достаточно большой длине волны света распространяется только один луч (одна
мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности
1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую
дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового
волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки
зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда
хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое
лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3 - 0,4 дБ/км, в то
время как наименьшее затухание 0,2 - 0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.
5. Типичные
характеристики оптического волокна высокого качества
Компания Corning Fiber Systems выпустило волокно LEAF, имеющее большую
эффективную активную площадь волокна. Оно является идеальным для использования
в широкополосных системах DWDM, работающих в окне прозрачности 1550 нм.
Табл. 6 Оптические характеристики волокна LEAF компании Corning
|
Характеристика/параметр
|
Значение
|
Комментарий
|
|
Ослабление при
длине волны 1550 нм при длине волны 1625 нм
|
£ 0,25 дБ/км £ 0,25 дБ/км
|
|
|
Точка разрыва
непрерывности
|
не больше, чем
0,1 дБ при 1550 нм
|
|
|
Затухание при
длине волны 1383 нм
|
£ 1,0
дБ/км
|
|
|
Прирост
затухания в диапазоне 1525-1575 нм
|
£ 0,05
дБ/км
|
По отношению к
длине волны 1550 нм
|
|
Прирост
затухания за счет изгиба
|
£0,05
дБ/км
|
На оправке
диаметром 32 мм, 1 оборот, по отношению к 1550 и 1625 нм
|
|
Прирост
затухания за счет изгиба
|
£ 0,50
дБ/км
|
На оправке
диаметром 75 мм, 100 оборотов, по отношению к 1550 и 1625 нм
|
|
Диаметр поля
моды
|
9,2-10,0 мкм
при 1550 нм
|
|
|
Полная
дисперсия
|
2,0-6,0 пс/нм/км
|
В диапазоне
1530-1565 нм
|
|
Поляризационная
модовая дисперсия (PMD)
|
4,5-11,2
пс/нм/км
|
В диапазоне
1565-1625 нм
|
|
Дисперсия PMD для протяженной линии
|
£ 0,08
пс (км)1/2
|
|
|
Максимальная PMD для отдельного волокна
|
£ 0,20
пс (км)1/2
|
|
Табл. 7 Физические размеры волокна LEAF
|
Характеристика/параметр
|
Значение
|
|
Стандартная
длина Радиус собственной кривизны волокна Диаметр оболочки Неконцентричность
сердцевины и оболочки Некруглость оболочки Диаметр покрытия Неконцентричность
покрытия и оболочки
|
4,4 - 25,2
км/катушку ³ 4,0 м
125 ± 1 мкм £ 0,5
мкм £ 1,0% 245 ± 5 мкм < 12,0 мкм
|
.
Оптические разветвители
Каждое устройство, используемое в схеме передачи светового
сигнала, является источником вносимых потерь. Оно также будет источником
отражений, обычно характеризуемых потерями на отражение. Эти потери обычно
измеряются в децибелах. За исключением аттенюаторов, хотелось бы иметь как
можно более низкие вносимые потери и как можно более высокие потери на
отражение (возвратные потери).
Одним из наиболее важных устройств, относящихся к пассивным
компонентам ВОЛС является оптический разветвитель.
7. Оптический
разветвитель (сплиттер - комбайнер)
Ответвителем является неселективный
пассивный элемент, обладающий тремя или более портами и распределяющий мощность
между ними в определенном соотношении без какого-либо усиления, переключения
или какой-то модуляции.
Различают направленные и двунаправленные разветвители, а
также разветвители чувствительные к длине волны и нечувствительные. В двунаправленном
оптическом разветвителе каждый полюс может работать на прием сигнала или на
передачу, или осуществлять прием и передачу одновременно, так что группы
приемных и передающих полюсов могут меняться местами в функциональном смысле.
Аттенюатор
Аттенюатор - пассивный элемент,
осуществляющий управляемое ослабление сигнала в волоконно-оптической линии
передачи (ВОЛП).
Аттенюатор - устройство, которое
уменьшает интенсивность светового сигнала, прошедшего через него. Аттенюаторы
часто используются в качестве звена в схеме после лазерного передатчика, чтобы
согласовать его выходную мощность с уровнем, требуемым следующими за ним в этой
схеме устройствами, такими как усилители EDFA. Нужно тщательно
выбирать тип аттенюаторов так, чтобы они имели отличные параметры возвратных
потерь (их уровень д. б. > 40 дБ), чтобы быть уверенным, что уровень света,
отражаемого обратно в направлении передатчика, будет очень низок.
Другими ключевыми параметрами аттенюаторов
являются:
· стабильность;
· надежность;
· оптические возвратные
потери (ORL);
· потери, зависящие от
поляризации (PDL);
· точность;
· повторяемость;
· вносимые потери;
· поляризационная модовая
дисперсия (PMD).
Волоконно-оптический
фильтр
Фильтр - пассивный элемент,
используемый для модификации проходящего через него оптического излучения, как
правило, за счет изменения спектрального распределения мощности. В частности,
волоконно-оптические фильтры обычно используют для отсечения или поглощения
оптического излучения в определенных областях длин волн и пропускания излучения
на других длинах волн.
Оптические фильтры используют механизм
селекции длин волн и могут быть грубо разделены на две большие категории в
зависимости от того, какой физический механизм положен в их основу: оптической
интерференции или дифракции. Существуют фильтры, рассчитанные на выделение
фиксированной длины волны, и настраиваемые фильтры.
Для настраиваемых фильтров желательно
иметь следующие свойства:
· широкий диапазон
настройки для максимизации числа каналов, которые могут быть выбраны;
· незначительные
перекрестные помехи, чтобы избежать помех от соседних каналов;
· быстрая настройка для
минимизации времени доступа;
· малые вносимые потери.
Фильтры выполняют исключительно важную
роль в оборудовании WDM/ DWDM на стороне демультиплексора.
Вносимые потери: максимум 1,5 дБ в полосе
пропускания;
Вносимые потери: минимум 40 дБ в полосе
задерживания;
Оптическая отражательная способность: -40
дБ.
7. Волоконно-оптический
изолятор
Изолятор - оптическое устройство,
не обладающее свойством взаимности, предназначенное для подавления обратного
отражения в ВОЛП и имеющее минимальные вносимые потери в прямом направлении.
Изоляторы - устройства, для
которых потери света малы при распространении в одном направлении и велики в
противоположном направлении. Изоляторы обычно устанавливают в выходных схемах
устройств с высоким уровнем интенсивности света, таких как передатчики на
лазерных диодах и усилители EDFA. Их функция - уменьшить уровень сигнала,
отраженного назад в используемый лазерный диод или усилитель EDFA.
Характеристики изолятора определяются
следующими критическими параметрами:
· спектральной
зависимостью, особенно для так называемых узкополосных изоляторов, которые
проектируются для работы в спектральном диапазоне уже, чем 20 нм. Изоляторы
описываются пиком ослабления обратного излучения и шириной полосы, лежащей в
области 3 дБ ослабления уровня изоляции от максимума этого пика.
· малым уровнем вносимых потерь,
<1 дБ в прямом направлении, и большим уровнем потерь в обратном направлении:
больше 35 дБ (при одноступенчатой изоляции) и 60 дБ (при двухступенчатой
изоляции), и слабой зависимостью от поляризации.
· поляризационной модовой
дисперсией (PMD). Изоляторы обычно проектируются на основе использования
элементов с высоким уровнем двойного лучепреломления, а они весьма склонны к
высокому уровню PMD (типичное значение - 50-100 фс, 1 фс = 10-15 с), в
особенности для одноступенчатого изолятора. Двухступенчатые изоляторы могут
быть спроектированы так, что PMD, вносимая первой ступенью, во многом
компенсируется второй ступенью.
· потерями, зависящими от
поляризации (PDL). Они ухудшают характеристики оптического изолятора.
В лучших образцах ОИ оптические потери в прямом направлении
равны около 1.0-1.5 дБ, величина развязки - до 30-40 дБ. Оптические изоляторы
обычно действуют в сравнительно узкой (30-80 нм) полосе спектра рабочих длин
волн и согласованы с входным и выходным световодами, изготовленными из
оптоволокна с сохранением поляризации излучения.
.
Волоконно-оптический терминатор
Терминатор (оконечный элемент) -
элемент, используемый для терминирования оптоволокна (оконцованного или нет) с
целью подавления отражения.
Волоконно-оптический
переключатель (коммутатор)
Переключатель
(коммутатор) - пассивный элемент, имеющий один или больше портов, которые
передают, блокируют или перенаправляют оптическую мощность в одно из волокон
ВОЛП.
Ключевыми параметрами, определяющими
показатели коммутаторов и, следовательно, их пригодность для тех или иных
приложений, являются:
· вносимые потери и потери
на разветвление;
· возвратные потери;
· потери, зависящие от
поляризации;
· перекрестные помехи и
уровень изоляции;
· надежность;
· время переключения;
· стабильность;
· степень сложности.
Оптические коммутаторы, в зависимости от принципа действия,
подразделяются на восемь типов: механические ОК, электрооптические,
термооптические, интегрально-оптические, полупроводниковые (SOA), ОК на
фотонных кристаллах и ОК на многослойных жидкокристаллических матрицах.
Технические характеристики современных ОК значительно
различаются. Например, механические коммутаторы имеют время переключения от 10
до 500 мс, вносимые потери около 0.5 дБ, переходное затухание до 80 дБ, число
входных и выходных портов от 50 до 1600. Быстродействие электрооптических ОК
существенно выше, 10-100 пс, но их емкость обычно мала, например, 1х2 и 2х2.
При последовательном включении нескольких таких ОК емкость составного ОК,
очевидно, возрастает. В последние годы внимание разработчиков оптических
коммутаторов привлекают микромеханические коммутаторы (MEMS-типа), в которых
использованы технологии как микроэлектроники, так и интегральной оптики.
Табл. 8 Параметры передачи, рекомендуемые
для оптических коммутаторов.
|
Параметры
|
Переключатели
типа 1´n
|
Переключатели
типа 2x2
|
|
Максимум
|
Минимум
|
Среднее
|
Стандартное
|
|
Вносимые
потери, дБ
|
2,5
//log2n
|
не применимо
|
изучается
|
не применимо
|
|
Отражательная
способность, дБ
|
-40
|
не применимо
|
-40
|
не применимо
|
|
Рабочий
диапазон волн, нм
|
изучается
|
изучается
|
изучается
|
изучается
|
|
Потери,
зависящие от поляризации, DдБ
|
изучается //
0,1 (1 + log2n)
|
не применимо
|
изучается
|
не применимо
|
|
Время
переключения, мс
|
20 // 10
|
не применимо
|
изучается
|
не применимо
|
|
Повторяемость,
дБ
|
0,25
|
не применимо
|
изучается
|
не применимо
|
|
Однородность,
дБ
|
изучается // 0,4 log2n
|
не применимо
|
изучается
|
не применимо
|
|
Переходные
помехи, дБ
|
Изучается
|
изучается
|
не применимо
|
|
Направленность,
ДБ
|
не применимо
|
50
|
изучается
|
не применимо
|
9.
Пассивный компенсатор (хроматической) дисперсии
Компенсатор - пассивный элемент,
используемый для компенсации хроматической дисперсии одного из оптических
трактов.
Волоконно-оптический
соединитель (оптический разъем)
Оптический разъем - элемент, прикрепленный
к одному из оптических кабелей или отдельной части оборудования для
осуществления частых соединений / разъединений оптических волокон или кабелей.
Оптические
мультиплексоры и демультиплексоры.
Оптические мультиплексоры и демультиплексоры (МДМ)
применяются в оптических системах связи со спектральным уплотнением каналов (с
одновременной передачей по оптоволокну сигналов с различными длинами волн -
WDM-systems) и их можно отнести к категории спектрально - селективных
оптических разветвителей. Мультиплексоры выполняют функции объединения
оптических несущих с разными длинами волн (обычно они имеют несколько входов и
один выход), демультиплексоры - обратную процедуру разделения оптических
несущих по длинам волн (один вход, несколько выходов).
Основные характеристики МДМ - тип (одномодовый либо
многомодовый), число рабочих спектральных каналов, оптические потери в каждом
канале, величина переходного затухания, уровень обратного рассеяния, уровень
вносимых поляризационных искажений. Диапазон рабочих длин волн и величина
разноса спектральных несущих также являются важными параметрами МДМ. В наиболее
освоенных сегодня WDM-системах число рабочих каналов обычно составляет 2, 4 или
6, разнос длин волн несущих - несколько единиц нм, оптические потери в каналах
0.5 - 2 дБ (отметим, что теоретически потери в спектрально-селективных
разветвителях, в отличие от широкополосных, могут приближаться к нулю). В
разрабатываемых «плотных» DWDM-системах спектрального уплотнения число рабочих
каналов - несколько десятков (до 30 и более), разнос частот несущих несколько
единиц-десятков ГГц, оптические потери в канале на уровне 1 дБ.
Конструктивно мульти-демультиплексоры нередко выполнены на
основе объемных микрооптических элементов (микролинз, граданов) и содержат
спектрально-селективные устройства - отражательную вогнутую либо плоскую
дифракционную решетку, интерференционный фильтр, объемную голограмму,
дисперсионную призму и др. Волноводные МДМ, например, на основе
интегрально-оптических волноводов, часто представляют собой аналоги
классических интерферометров - Фабри-Перо, Маха-Цендера, эшелона Майкельсона и
др. В последнее время внимание разработчиков
МДМ привлекают волоконные решетки Брэгга (FBG), являющиеся, в
сущности, объемными отражательными голограммами, сформированными в сердцевине
оптоволокна.
Внешние
оптические модуляторы.
Наиболее распространенным способом амплитудной модуляции
оптического сигнала в ВОСПИ является изменение тока накачки излучателя. При
больших, свыше 1-2 ГГц, частотах модуляции тока накачки в полупроводниковых
лазерах заметную роль начинает играть квазирезонансный эффект, сопровождающийся
амплитудными шумами, значительным уширением спектра оптического сигнала и
ограничением величины частоты модуляции. Поэтому при создании ВОСПИ с
наивысшей, в десятки-сотни и более ГГб/с, пропускной способностью наиболее
эффективным способом модуляции сигнала является применение в ВОСПИ внешних
оптических модуляторов (ВОМ). В этом случае полупроводниковый лазер работает в
непрерывном режиме, а внешний оптический модулятор установлен в оптическом
тракте непосредственно за оптическим изолятором и источником света.
Действие наиболее распространенных внешних оптических
модуляторов основано на электрооптическом (Поккельса), магнитооптическом
(Фарадея), электроабсорбционном и акустооптическом (Брэгга или Рамана-Ната)
эффектах. Такие ВОМ работоспособны практически во всех диапазонах оптической
связи с частотами модуляции свыше 1 ГГц. Амплитудные ВОМ могут быть выполнены
на основе интегрально-оптического интерферометра Маха-Цендера с фазовой
модуляцией в одном из плеч интерферометра.
Разрабатываются высокоскоростные ВОМ и на основе
полупроводниковых многослойных структур, а также МОП-структур в виде тонких
слоев металла и диэлектрика. Сегодня созданы экспериментальные ВОЛС
протяженностью 160 км на основе ВОМ со скоростью передачи в одном канале 111
Гбит/с, что при использовании принципа спектрального уплотнения обеспечивает
эквивалентную пропускную способность ВОСПИ порядка 10 Тбит/c.
Оптические
усилители.
Оптический усилитель (ОУ) увеличивает
мощность оптических сигналов в ВОСПИ без их промежуточного преобразования в
электронные сигналы. Такой способ усиления особенно удобен в ВОСПИ со
спектральным уплотнением, благодаря возможности одновременного усиления
нескольких информационных сигналов с различными длинами волн. Наиболее
распространены два типа оптических усилителей - полупроводниковый квантовый
усилитель (ПКУ) и волоконно-оптический (например, эрбиевый) усилитель.
.
Определение функциональных параметров
Вносимые потери (IL)
Вносимые потери - уменьшение оптической
мощности между входным и выходным портами пассивного элемента в дБ,
определяемое как
где 
- оптическая мощность, вводимая во
входной порт, а 
- оптическая мощность, полученная из
выходного порта.
Возвратные потери (RL)
Возвратные потери - часть входной мощности, которая возвращается
из входного порта пассивного элемента. Они определяются, как
где
- оптическая мощность, вводимая во входной порт, а 
- оптическая мощность, полученная обратно из того же порта.
Отражательная способность
Отражательная способность - отношение R отраженной мощности к падающей
мощности , определенное для данного порта пассивного элемента при заданных
условиях спектрального распределения, поляризации и геометрического
распределения, выраженное в дБ, а именно:
Рабочий диапазон длин волн
Это диапазон длин волн от 
до 
в пределах, задаваемых от номинального 
, внутри которого пассивные элементы
должны работать с определенными показателями ошибок.
Потери, зависящие от поляризации (PDL)
Эти потери соответствуют максимальной вариации вносимых потерь,
вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на множестве всех
возможных состояний поляризации.
Зависимость отражательной способности от поляризации
Эти потери соответствуют максимальной вариации отражательной
способности, вызванной вариацией состояния поляризации, рассматриваемой на
множестве всех возможных состояний поляризации.
Обратные потери (степень изоляции) волоконно-оптических изоляторов
Обратные потери - мера уменьшения оптической мощности (в дБ),
распространяющейся в обратном направлении, в результате установки изолятора.
Излучающим портом здесь является выходной порт изолятора, а приемным портом -
входной порт изолятора. Потери определяются следующей формулой:
где 
- оптическая мощность, измеренная на
входном порте изолятора, когда мощность 
излучается в
рабочий порт. При нормальной работе - оптическая
мощность, отраженная от устройств, установленных на удаленном конце оптической
линии, и направленная обратно так, что попадает в выходной порт изолятора,
потери которого и измеряются.
Направленность
Для волоконно-оптических элементов ветвления, направленность
представлена значением
aij - элемента
логарифмической матрицы передачи между двумя изолированными портами.
Однородность
Логарифмическая матрица передачи элементов ветвления может
содержать определенный набор коэффициентов, который конечен и одинаков. В этом случае диапазон изменения этих коэффициентов аij (выраженный в дБ) именуется однородностью
элементов ветвления.
Заключение
Оптические системы передачи информации являются одним из
наиболее перспективных современных направлений в области техники связи,
вобравшим в себя лучшие достижения микроэлектроники, волоконной оптики,
интегральной оптоэлектроники, физики и техники полупроводников. Научные
проблемы освоения оптического диапазона связи к настоящему времени, в
значительной степени, решены и дальнейшее развитие оптических систем передачи
информации существенно зависит от уровня и состояния технологии производства
оптических и оптико-электронных компонент таких систем. Это не исключает
возможности выдвижения и реализации новых идей в области физики и техники
оптических систем передачи информации, основанных на весьма разнообразных
свойствах как оптического излучения, так и применяемых в таких системах
оптических материалов, их сложных композиций и структур.
Требования к полосе пропускания
удваиваются каждые три года. Только оптоволокно может удовлетворить
транспортировке требуемой полосы.
Список
использованной литературы
1. Р. Фриман «Волоконно-оптические системы связи» М.
2003 Техносфера
2. Иванов А.Б. «Волоконная оптика: компоненты, системы
передачи, измерения» М. 1999
3. А.Л. Дмитриев «Оптические системы передачи
информации» Спб. 2007
4. В.В. Богатырева, А.Л. Дмитриев «Оптические методы
обработки информации» Спб. 2009