Контрольная работа по "Волоконно-оптические системы передачи"

Федеральное агентство связи

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

Межрегиональный центр переподготовки специалистов

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

По дисциплине: Волоконно-оптические системы передачи

 

 

 

Выполнил: Максимов П.А.

Группа: РДЗ-11

Вариант: 06

 

Проверил: ___________________

 

 

 

 

Новосибирск, 2011 г

 1.  Основы построения оптических систем передачи

Задание:

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1)Какие диапазоны длин волн (частоты  электромагнитных колебаний) применяются в системах передачи атмосферной и волоконно-оптической связи?

2)Из каких укрупненных компонентов  состоит структурная схема волоконно-оптической  системы передачи (ВОСП)?

3)Что представляет собой линейный  тракт ВОСП?

4)Какие виды мультиплексирования  применяются в оптических системах передачи?

5)Что такое WDM, DWDM и какое различие  между ними?

Ответ:

1. Диапазон длин волн в ВОСП выбирается исходя из требований минимального затухания сигнала. Поэтому сигнал излучается на длине волны в окнах прозрачности (где затухание минимально) – 0.85; 1.33; 1.55 мкм.

Наибольшее применение для оптической связи имеет диапазон, который называется ближней инфракрасной зоной (λ=1,6 - 0,8 мкм; f=). Его использование обусловлено двумя факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещённой зоны ряда п\проводников; этот диапазон отличается наибольшей прозрачностью в таких средах распространения волн как стекловолокно и воздушная атмосфера.

2) Структурная схема ВОСП состоит  из источника сигнала(1), кодера(2), оптического передатчика(3), линии связи(4), повторителя(5), оптического приемника(6), декодера(7), получателя сигнала(8).

3) 1 - электронные мультиплексоры  основных информационных потоков  уровня DS0 и информационный поток  уровня DS1 в коде НDВ3:

2 - электронный мультиплексор и преобразователь стыкового кода НDВЗ в линейный код:

3 - блок согласования (накачки) излучателя (4) с выходом устройства преобразования  кода 3:

4 - излучатель оптического сигнала (лазер или светоизлучающий диод):

5 - блок стабилизации выходной оптической мощности излучателя и стабилизации температуры;

6 - фотодетектор:

7 - источник электрического напряжения  смещения для фотодетектора;

8 - широкополосный электронный  усилитель электрического сигнала, выделяемого в нагрузке фотодетектора;

9 - преобразователь линейного кода в коды DS1 и демультиплексор;

10 - демультиплексоры сигналов в  коде уровня DS1 в сигналы уровня DS0;

11 - ОР - оптические разъемы;

12 - ОК - оптический кабель.

 

 

4) В ВОСП используются следующие  методы мультиплексирования:

1.Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDМ)

2. Плотное волновое уплотнение  оптических несущих (DWDМ)

3. Оптическое временное уплотнение (ОТDМ)

5) WDM, DWDM – это методы мультиплексирования  в ВОСП. Суть этих методов состоит  в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны λm, и разнесенных в пространстве с помощью специальных устройств — оптических мультиплексоров (ОМ) — объединяются в один оптический поток λ1,..... λm, после чего он вводится в оптическое линейное волокно, входящее в состав оптического кабеля. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования.

Разница между WDM и DWDM заключается в уменьшения частотного интервала между спектральными каналами от 100 ГГц(у WDM)  до 50 ГГц и даже до 25 ГГц(у DWDM).

Задача

Определить затухание (ослабление), дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L=163 (км), километрическим (погонным) затуханием (ослаблением) a=0,24 (дБ/км) на длине волны излучения передатчика l0=1,56 (мкм), ширине спектра излучения Dl0.5=0,15 (нм) на уровне половины максимальной мощности излучения.

Хроматическая дисперсия D=4,2 пс/(нм*км)

Найдем результирующее максимальное затухание секции из соотношения:

, [дБ] (1), где

– потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля ( = 0,05 дБ);

- длинна секции (L=163 км);

- погонное затухание (а= 0,24 дБ/км)

- число стыков, определяемое:

км, получаем ;

Тогда, , дБ

Результирующая совокупная дисперсия секции находится из соотношения:

Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения:

Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от D FОВ и их формы. В нашем случае импульсы гауссовской формы, значит: бит/с

 

 

2 Источники оптического  излучения для систем передачи

Задание:

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?
2. Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?
3. Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?
4. Какими факторами определяется величина мощности оптического излучения, вводимого от источника в стекловолокно?
5. Каким образом формируется и направляется излучение в атмосферных системах передачи?

 

Задача 2.

Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри – Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).

Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн D l при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.

Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде l О при коэффициенте отражения R.

Изобразить конструкцию полоскового лазера FP. Изобразить модовый спектр.

Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Изобразить конструкцию лазера DFB.

Ответ:

1. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?

• сигнал излучается на длине волны в окнах прозрачности (где затухание минимально) – 0.85; 1.33; 1.55 мкм;

• большая доля световой энергии должна попадать в ОВ;(т.е. потери должны быть минимальными) ;
• на выходе источника излучения должно обеспечиваться требуемое значение уровня мощности;
• изменение параметров окружающей среды должно оказывать минимальное влияние на источник излучения.

 

2. Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?

  Ответ: Чаще всего  в оптических передатчиках систем  связи применяют две конструкции  лазеров: многомодовый лазерный  диод полосковой геометрии с резонатором Фабри-Перо (Ф-П) и лазер с распределённой обратной связью (РОС или DFB) одномодовый.

Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создаётся волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нём с помощью источника электротока создаётся инверсная населённость. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

                                                                              электрод

                                                                           Конструкция

                                                                             полоскового р+ GaAs

                                                                          лазераp+ AlGaAs (оболочка)

                                                                           p+ GaAs (активный слой)

                                                                           n+ AlGaAs (оболочка)

                                                                        n+ GaAs (подложка)

                                                 электрод зеркало Ф-П

 

                                                                              электрод

                                                                                       p+ InGaAsP

                                                                                          p+ InP

                                                                              p InGaAsP (активный)

                                                                                         n+ InGaAsP

                                                                                       n+ InP (подложка)

                                                                                        электрод

Структура лазера РОС.

 

3. Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?

Резона́тор Фабри́ — Перо́ — является основным видом оптического резонатора и представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми может формироваться резонансная стоячая оптическая волна. В лазерах одно из зеркал делается обычно более пропускающим для преимущественного вывода излучения в этом направлении.

Виды оптических резонаторов типа Фабри-Перо:1. плоско-параллельный;  2. концентрический (сферический);  3. полусферический;  4. конфокальный; 5. выпукло-вогнутый.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Условие образования стоячих волн:

m=1, 2, 3…- число полуволн.

Открытый резонатор способствует разряжению мод по сравнению с объёмным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.

Важной характеристикой резонатора является его добротность:

 

 

где R – коэффициент отражения зеркала.

4. Какими факторами определяется величина мощности оптического излучения, вводимого от источника в стекловолокно?

Величина мощности зависит от спектральной характеристики и диаграммы направленности. Чем она уже тем лучше.

5. Каким образом формируется и направляется излучение в атмосферных системах передачи?

Ответ: В атмосферных оптических системах связи основная сложность состоит в изменчивости атмосферной прозрачности и рефракции оптического луча. Т.е., осуществить строгую фокусировку луча от передатчика к приёмнику не представляется возможным. Для того, чтобы получить максимальную мощность в приёмном устройстве, необходимо учесть не только направленные свойства источника излучения, но и апертуру приёмника, дифракционные искажения при выводе излучения в атмосферу, рефракцию и поглощение в атмосфере и согласующих устройствах.

В плоскости приёмной апертуры должно формироваться изображение излучаемой мощности от передатчика. Для этого используется система расширения светового коллимированного пучка. Это уменьшает расходимость, обусловленную дифракцией света.

Благодаря расширителю пучка получены угловые расходимости лазерного излучения в пределах 0,5-3 мрад при мощности передатчика от 10 до 45 мВт и дальности передачи от 0,5 до 5 км.

Задача 2

Конструкция полоскового лазера FP:

 

Модовый спектр:

Конструкция лазера DFB:

Параметры лазера FP:

Длина лазера L=200 мкм.=200.10-6 м.

Dl=45 нм.=45.10-9 м.

n=3,3.

lО=0,4 мкм.=0,4.10-6 м.

R=0,39.

Частота моды определяется из соотношения:

 

Гц

где:

С – скорость света (3.108 м/с),

m – номер моды,

L – длина резонатора,

n – показатель преломления.

Расстояние между модами определяется из соотношения:

 

м

Добротность резонатора на центральной моде l0 определяется из соотношения:

Число мод в интервале Dl определяется отношением:

 

M=Dl/Dlm=45.10-9/1.212.10-10=371.25

 

Параметры лазера DFB:

Длина лазера L=100 мкм.=100.10-6 м.

Порядок решётки m=7.

Шаг решётки d=0,7 мкм.=0,7.10-6 м.

Показатель преломления nэ=3,68.

Для определения длины волны и частоты генерации одномодового лазера DFB необходимо воспользоваться соотношениями:

l0.m=2d.nэ =>

 

м.

 

 Гц.

 

 Гц.

3.  Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона

 

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Что такое модуляция?
2. В чем заключается сущность прямой модуляции в схемах с полупроводниковыми источниками оптического излучения?
3. Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции?
4. Какие шумы возникают при модуляции (перечислить)?
5. Как уменьшить нелинейные искажения при модуляции?

Задача 3

Построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него.

Для заданных тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h. По построенной характеристике указать вид источника.

 

I, мА	0	5	10	15	18	20	22	24	26	28
P1, мкВт	0	15	30	45	60	90	160	230	310	370

 

 

Ответ:

1. Что такое модуляция?

Процедура переноса спектра из низких частот в область высоких частот называется модуляцией.

2. В чем заключается сущность прямой модуляции в схемах с полупроводниковыми источниками оптического излучения?

При прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

3. Почему происходит  искажение сигналов при прямой  модуляции?

 При модуляции интенсивности  выбирается линейный участок  ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина  М до 90%, однако при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра.

4. Какие шумы возникают при модуляции?

Шумы обусловленные спонтанным излучением; шумы обусловленные изменением температуры и тока (дробовый шум); шумы обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном; шумы перескока моды; шумы частотной модуляции.

5. Как уменьшить нелинейные  искажения при модуляции?

Использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация, предискажение.

Задача 3

Ток смещения I=10 мА.

Амплитуда тока модуляции Im=10 мА.

Определим из графика

Pmax = 90 мкВт.

Pmin = 0 мкВт.

Для определения глубины модуляции используем соотношение:

(в разах).

 

Рис. Ватт - амперная характеристика

4. Фотоприемники для  оптических систем передачи

Задание

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?
2. Какие основные характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?
3. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?
4. Что такое длинноволновая граница чувствительности?
5. Чем отличается конструкция и принцип действия лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции диода p-i-n?
6. Что значит быстродействие фотодиода?
7. Перечислите шумы фотодиодов.

Задача 4

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 4.1. Используя график и данные таблиц 4.2 и 4.3. Определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Таблица 4.1

Чувствительность, А/Вт	0,3	0,45	0,53	0,58	0,62	0,67	0,7	0,73	0,65	0,1
Длина волны, мкм.	0,85	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,78

 

 

Ответ:

1. Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?

К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

• Высокая чувствительность;
• Требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
• Низкий уровень шумов;
• Требуемое быстродействие;
• Длительный срок службы;
• Использование в интегральных схемах.

2. Какие основные характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?

Величина фототока, спектральная чувствительность, широкополостность, темновой ток, быстродействие, динамический диапазон.

3. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?

Длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах.

4. Что такое длинноволновая граница чувствительности?

Как видно из данной формулы:

 

величина фототока при заданных и определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

 

 

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны

 

 

называемой длинноволновой границей чувствительности.

5. Чем отличается конструкция и принцип действия лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции диода p-i-n?

В ЛФД имеется слой с сильным электрическим полем, которое придаёт дополнительную энергию образующимся под действием света электронам.

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда.

6. Что значит быстродействие фотодиода?

Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

7. Перечислите шумы фотодиодов.

Основные виды шумов фотодиода: тепловой, дробовой и избыточный, который обратно пропорционален частоте модуляции. В зависимости от схемы включения преобладает тепловой шум или избыточный.

Задача

Мощность излучения Pu=0.5 мкВт; Длина волны

Чувствительность, А/Вт	0,3	0,45	0,53	0,58	0,62	0,67	0,7	0,73	0,65	0,1
Длина волны, мкм.	0,85	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,78

Рисунок 4.1

Определим величину фототока из соотношения:

;

где S=0.54А/Вт – чувствительность, определённая графически.

 

;

Определим графически длинноволновую границу чувствительности:

;

Определим материал для изготовления прибора исходя из соотношения:

;

Делаем заключение, что для изготовления данного прибора используется германий.

 

5. Фотоприемные  устройства оптических систем передачи

1. Чем отличается прямое фотодетектирование от фотодетектирования с преобразованием?

При прямом фотодетектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал:

Оптический

Сигнал                                                                    Электрический

                                                                                         Сигнал

 

Электросигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока, который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом.

При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал:

 

 

Электросигнал

                                                                                   Оптический

                                                                                            Сигнал

 

 

2. Какие функциональные блоки входят в схему фотоприемного устройства (ФПУ) с прямым детектированием?

 

 

 

СЭ - согласующий элемент; ФД – фотодетектор; ПУС - предварительный усилитель; К - противошумовой корректор; ГУС - главный усилитель; ФК – фильтр – корректор; АРУ - автоматическая регулировка усиления.

 

Через согласующий элемент (СЭ) оптический сигнал подаётся на фотодетектор (ФД). ФД преобразует оптический сигнал в электрический. ФД представляет собой ЛФД или p-i-n фотодиод. Предварительный усилитель (ПУс) усиливает электрический сигнал. В состав Пус может входить противошумовой корректор К, который срезает шумы за пределами полосы частот. Главный усилитель Гус обеспечивает усиление, необходимое для работы последующих устройств. Фильтр-корректор ФК корректирует амплитудную частотную характеристику линейного тракта, компенсируя искажения. Схема автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает требуемый динамический диапазон входных сигналов.

 

3. Из каких элементов состоит входная цепь фотоприемного устройства с прямым детектированием?

Фотодиод, предварительный усилитель на полевом или биполярном транзисторе, корректор (L,C).

4. Как устроена входная цепь фотоприемного устройства детектирования с преобразованием?

Во входной цепи излучение опорного оптического генератора складывается с оптическим сигналом в оптическом гибридном соединителе  и подается на вход схемы ФПУ.

5. Как соотносятся между собой электрическая и оптическая полосы частот пропускания ФПУ?

С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприёмным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос. Полоса пропускания оптическая оценивается по уменьшению входной мощности на 3 дБ:

;

Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:

;

Т.о. можно сравнить:

Уменьшение величины фототока в 2 раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности составит 3 дБ.

 

6. Что используется для восстановления цифрового сигнала после ФПУ?

Регенератор

Задача 5.

Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) и фотодетектор (p-i-n).

Rэ=1000 кОм=1000*103 Ом.

Сэ=2 пФ.=2.10-12 Ф.

ηвн=0,38

 М=1

Fш(М)=1

Т=280

Дш=2

Кус=1000

Характеристики передачи:

Pпер=0 дБм.

L=60 км.

α=0,6 дБ/км.

l=0,85 мкм.

Полоса частот усиления ФПУ с ИУ ограничена полосой пропускания входной цепи ФПУ и находится из соотношения

 Гц

Фототок детектора создаётся падающей оптической мощностью и зависит от типа фотодетектора. Величина фототока вычисляется из соотношений:

 Вт

 

 А.

 

где:

h - постоянная Планка;

е - заряд электрона;

ηВН - внутренняя квантовая эффективность;

М - коэффициент умножения ЛФД;

РПР - мощность сигнала на передаче;

а - километрическое затухание кабеля;

L - длина кабельной линии.

 

Для вычисления основных шумов ФПУ, а это квантовый и тепловой шумы, необходимо воспользоваться соотношениями:

 

 Вт.

 

 Вт.

 

где К- постоянная Больцмана 1,38.10-23

Отношение сигнал/шум вычисляется из соотношения:

 

 

 

 

6. Оптические усилители для оптических систем передачи

1. Какие типы усилителей могут применяться в оптических системах передачи?

Полупроводниковые (усилители бегущей волны); волоконные (эрбиевый, празеодимовый, неодимовый, тулиевый, иттербиевый); нелинейные (Романовский, на механизме Мендельштампа – Бриллюэны).