Федеральное агентство связи

Бурятский филиал ГОУ ВПО СибГУТИ.

 
 
 
 
 
 
 

 
 

Контрольная работа 

По дисциплине: 

«Волоконно-оптические системы передачи». 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

     г. Улан – Удэ 

     2011г.

ВВЕДЕНИЕ

      Функционирование  всех компонентов ВОЛС основано на фундаментальных законах распространения света в материальных средах. Поэтому для правильного понимания, а в дальнейшем – расчета и конструирования компонентов ВОЛС, необходимо знать основные физические закономерности, определяющие передачу информации с помощью оптических волн. Для описания процесса их распространения пользуются волновым и лучевым методами. В рамках классической физики уравнения Максвелла позволяют точно решить практически любую электродинамическую задачу. Однако во многих случаях крайне сложно, а подчас и нецелесообразно искать точные решения на базе электродинамики. Так например, в зависимости от размеров поперечного сечения в волоконных световодах пользуются методами геометрической оптики, если их поперечное сечение намного больше длины волны излучения и волновыми методами – когда поперечное сечение сравнимо ч длиной волны.

      Учение  о физических явлениях, связанных  с распространением и взаимодействием с веществом или устройствами электромагнитных волн, длина которых лежит в интервале 10^-4 … 10^-9 м называется оптикой.  Для целей передачи и обработки информации используется не только видимая человеческим глазом часть электромагнитного спектра (0,4 … 0,7 мкм), но также и ближняя часть инфракрасного спектра вплоть до 6 мкм. Волоконно – оптической системой передачи (ВОСП)  называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние с помощью оптических волн (мод) и сигналов. Таким образом, ВОСП – это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи, с помощью которых создаются, передаются и обрабатываются оптические сигналы. Оптическим сигналом служит модулированное оптическое (световое) излучение лазера или светодиода, переносимое в оптической линии передачи (среде) в виде совокупности собственных оптических волн (мод) этих линий передачи. 
 

1. Волоконные  световоды и оптические кабели

1. Благодаря какому физическому явлению световые волны распространяются  вдоль оптического волокна?

      Принцип  распространения   оптического  излучения  вдоль   оптического  волокна основан на  явлении  полного внутреннего отражения на границе сред с разными показателями преломления. Полное внутреннее отражение может происходить на поверхности раздела сред только тогда, когда луч света распространяется из оптически более плотной среды (например, стекло n₁=1,5) в оптически менее плотную среду (например, воздух n_o=1), и никогда не происходит в обратном случае.

2. Назовите основные виды дисперсии в ОВ и причины, ее вызывающие.

 

      К основными видам дисперсий относятся  модовая, и хроматическая. Модовая дисперсия связана с различным временем прохождения участка волокна световых мод, двигающихся по разным траекториям. Хроматическая дисперсия связана, прежде всего, с зависимостью скорости распространения светового потока от длины волны источника излучения, т. е. составляющие светового импульса, имеющие разные длины волн, достигают конца оптического волокна с различными задержками времени, искажая, таким образом, исходный импульс.

3. Какие виды дисперсии являются определяющими для многомодовых и одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления?

      В волокне со ступенчатым профилем показателя преломления преобладает модовая дисперсия вследствие большой разницы времен пробега между осевым и граничными лучами. В градиентном световоде с оптимальным профилем показателя преломления обе дисперсии становятся приблизительно одинаковыми. Напротив, в мономодовом волокне модовая дисперсия не имеет значения и только материальная дисперсия определяет характеристику передачи.

4. Какой вид дисперсии характерен для световодов с градиентным профилем показателя преломления?

      У  градиентных  световодов  с  плавным  параболическим  законом  изменения  показателя  преломления происходит  выравнивание  времени  распространения  различных  мод  и  определяющей  является  материальная  дисперсия.

5. Какие длины волн в ОВ соответствуют минимуму его затухания?

     Минимум   затухания  наблюдается  в трех окнах прозрачности  на   длинах  волн: 0,85 мкм, 1,3 мкм, 1,55 мкм.

     

6. Какие характерные размеры  сердцевины и оболочки многомодовых и одномодовых  ОВ вам известны?

7. Назовите  особенности конструкции  оптического кабеля (ОК).

      Оптические  волокна (голые) не используются, в условиях эксплуатации их поверхность защищают от влаги и механических повреждений специальной оболочкой. Затем волокна помещаются в модули с силиконовым или гидрофобным заполнением. Далее конструкция кабеля выполняется в зависимости от его назначения. Металл используется в оптических кабелях в качестве силового элемента, броневого покрова, цепей питания

8. С какими целями в некоторых конструкциях ОК используются металлические  стержни и провода?

      Металлические элементы в конструкциях ОК используются в качестве несущего конструктива, а провода изготавливают из меди и используют для подачи дистанционного питания.

9. Какими преимуществами и недостатками обладают ОК по сравнению с металлическими кабелями (МК)?

ОК имеют следующие преимущества:

• Широкая полоса пропускания.
• Малое затухание оптического сигнала в волокне.
• Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле.
• Высокая помехозащищенность.
• Малый вес и объем.
• Высокая защищенность от несанкционированного доступа.
• Гальваническая развязка.
• Взрыво-пожаробезопасность.
• Экономичность.
• Длительный срок эксплуатации.
• Возможность подачи электропитания.

    Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, высокая стоимость работ по монтажу, тестированию и ремонту ВОЛС, требование специальной защиты оптического волокна; относительно высокая стоимость лазерных источников излучения.  

ЗАДАЧА  №1.

     

      Определить  дисперсию ОВ, его числовую апертуру, полосу пропускания и максимальную скорость передачи ВОСП, работающий по данному волокну длиной L_у с показателями преломления n₁, n₂, затуханием α_к, дБ/км. Источник излучения работает на длине волны λ₀ и характеризуется шириной спектра излучения ∆ λ_0,5, измеренной на уровне 0,5 от величины максимальной мощности.

Дано:

Одномодовое ступенчатое оптическое волокно.

L_у км = 60

λ₀ мкм = 1,3

λ_0,5 нм = 5

n₁ = 1,49

n₂ = 1,49

α_к  дБ/км = 0,8

 

      Дисперсия – временные искажения передаваемых сигналов приводящие к увеличению их длительности (уширению). Она возникает по двум причинам:

некогерентность источников излучения и существование  большого количества мод. Дисперсия  вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) τ_хр, она состоит из двух составляющих – материальной τ_м и волноводной (внутримодовой) τ_в дисперсией. Причина хроматической дисперсии – некогерентность источника излучения. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная  дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

      Дисперсия, вызванная второй причиной, называется  модовой (межмодовой) τ_мод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Уширение импульсов в результате дисперсии, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяемое как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечение световода на расстоянии от начала в 1км.   

         

                                      Σ_рез = √ σ²_мм + σ²_хр

Числовая  апертура находится по формуле:

            

                    NA = √n²₁ – n²₂ = √1,49² – 1,49² = 0 

Дисперсия для ООВ рассчитывается по следующей формуле:

нм

Значения и находим из табл.2 методических указаний.

= -3 пс/нм*км

= 5 пс/нм*км

Находим  полосу  пропускания  1  километра  ОВ  в  МГц*км. 

                             Fов Ly= ГГц*км. 

     ∆F_у – полосу  пропускания участка ОВ находят из соотношения:

     где γ=1 для ООВ

           ∆F_у = 0,187 / 5*10^-12*60¹ = 623,33 МГц*км   

Скорость передачи численно (примерно) равна полосе пропускания, т.е.

V = 623 Мбит/с

2   Источники излучения  и оптические модуляторы

       2.1. Какие источники света (ИС)  применяются в ВОСП?

      В качестве ИС в современных ВОСП применяются  светизлучеющие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ПЛ).

     2.2. Какие основные характеристики  ИС вам известны?

      Главнейшие, это сила излучаемого света и яркость.  Сила света, измеряется в канделах и, условно говоря, показывает насколько велика мощность видимого света, излучаемого в данном направлении.  Яркость - это сила света, исходящего с единицы площади источника. Единица её измерения - кандела на квадратный метр (кд/м2), а также электротехнические характеристики это потребляемый ток и напряжение питания.

     2.3. Почему  в  качестве  одного  из  основных  параметров  ИС используется  ток  накачки, а  не  напряжение  на  ИС?

      Зависимость мощности излучения от тока накачки  описывается ватт-амперной характеристикой  лазерного диода. При малых токах  накачки лазер, испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогового значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности.

 

Рис. Ватт-амперные характеристики:

1 –  лазерного диода; 2 –светодиода

     2.4. Чем  отличается  суперлюминесцентный   диод  СЛД   от светоизлучающего  диода  СИД?

     В отличие от полупроводниковых светодиодов, в рабочем режиме суперлюминесцентные диоды излучают в режиме суперлюминесценции, то есть усиления спонтанного излучения за счет вынужденного испускания. В результате в СЛД, как и в полупроводниковых лазерах, усиливается спонтанное излучение p-n перехода светодиода.

     2.5. Чем  отличается  лазер  от  СИД  ?

     Выходной  мощностью, скоростью, шириной спектра, применением, стоимостью, и т.д.

     2.6 .Какие  типы  лазеров  могут   использоваться  в  ВОСП?

      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).

     2.7. С  какой   целью  в   лазере  применяется   гетеропереход?

     Для  генерации  света,  основан на  рекомбинации  электронов  и дырок в активной  области  гетерогенной  структуры  при  пропускании  через  нее  тока  с  выделением  фотонов, обладающих  энергией, равной  энергии  запрещенной  зоны  материала полупроводника.

     2.8. Какие  требования  предъявляются   к  спектральной  характеристике  лазера  ВОСП?

      Не  должна превышать 1-2 нМ.

     2.9. Почему  в  настоящее   время  большинство   ВОСП - цифровые?

     С меньшей энергией можно передать сигнал и на более дальнее расстояние, легкость восстановления, возможности уплотнения.

     2.10. Какие  методы  применяются  для   компенсации  нелинейности ватт-амперной  характеристики  лазера?

     Причиной  искажений  могут  стать  обратные  отражения  на  лазер, которые  приводят  к  оптическому  шуму  обратной  связи. Устраняется  построением  модулятора  на  основе  управляемых  источников  оптического  излучения  с  помощью  введения  в  них  обратной  связи.

     2.11. Чем  отличаются  когерентные  источники   света  от  некогерентных?

      В когерентном источнике света  разность фаз есть величина постоянная, в некогерентном она хаотична.

     2.12. Какие меры  применяются для уменьшения  мод, возбуждаемых  в лазере?

      Оптические  резонаторы, либо дифракционные решетки.

     2.13. В  чем  заключается   прямая  модуляция   интенсивности   излучения?

     Она предполагает воздействие модулируемого  сигнала на источник оптического излучения.

     2.14. Почему  частотная   характеристика  модулятора  с   СИД  имеет   завал  на  высоких  частотах?

      Частотная характеристика модуляции СИДа имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую временем жизни инжектированных носителей зарядов в активном слое.

     2.15. Почему  искажается  импульсный  модулирующий  сигнал  при   обработке  в  оптическом  модуляторе?

      Из-за конструктивных особенностей, (индуктивности  выводов, емкости p – n перехода и выводов, сопротивления p – n перехода.

     2.16.  Нарисовать  структурную схему оптоэлектронного  модуля, указать  назначение  элементов  и  узлов.

       

1 – дифференциальный  усилитель. Усиливает поступающий  модулирующий сигнал и подает его на вход модулятора (2);

2 – модулятор.  Производит модуляцию оптического сигнала электрическим;

3 – оптический  излучатель. Модулированный оптический  сигнал излучается в основное ОВ-1 и вспомогательное ОВ-2 волокна. Через вспомогательное ОВ оптический сигнал поступает на фотоприемник 4.

4 – фотоприемник. Модулированный оптический сигнал  поступает на вход фотоприемника, преобразуется в электрический и поступает на вход усилителя 5.

5 – усилитель  электрического сигнала. Поступивший  сигнал усиливается усилителем и подается на инверсный вход дифференциального усилителя.

Тем самым создается  петля обратной отрицательной связи  для регулировки усиления модулирующего сигнала.

6 – система  термостабилизации. 

Задача 2. 

      Пользуясь ватт – амперной характеристикой  ППЛ выбрать ток смещения так, чтобы сигнал с I_m = 5 мА преобразовался в мощность излучения без искажений. Найти пороговой ток. Определить глубину модуляции и максимальную мощность излучения. 

     Рабочая  точка  при  смещении  Iн=25 мА.

     Максимальная  мощность  Pmax=215-94=121  мкВт.

     Глубина  модуляции:

      =56%

     где Р_р - пиковая мощность оптического излучения ,

     Р_мин – минимальная мощность оптического излучения

 

Задача  №3. 

      Пользуясь таблицей, определить полупроводниковый  материал, из которого можно изготовить источник излучения с длиной волны λ₀ = 1,3мкм.

 

                E_g = h f , где    E_g – энергия запрещенной зоны;

                                        f   – частота излучения;

                                        h – постоянная планка,

 h = 6,626 * 10^-34 Дж*с, или h = 4,13 * 10^-15 эВ*с.

        f=c/λ= =230,8 TГц;

Eg=4.13 =0,953Эв.

 По заданной таблице при E_g =0,953 Эв. выбираем   материал Si  (1,11  эВ)

- кремний 
 
 

ЗАДАЧА  № 4

 

  Длина  волны  λо  и  ширина  спектральной  линии  спектра  излучения    полупроводникового  лазера  даны  в  табл.1  методических  указаний. Определить  ширину  спектральной  линии  в  Гц, считая, что  λо  находится  в  середине  диапазона  . Найти добротность резонатора  лазера. 

Дано:

=1,3 мкм= 1300 нм

= 5 нм 

Решение:

      Частота моды определяется из соотношения:

       F₀ = = = 230,8*10¹² Гц = 230 ТГц

Определим минимальную и максимальную длину волны в Гц  с учетом ширины спектра:

F_min =

= = 230,3 ТГц

F_max =

= = 231,2 ТГц

Определим ширину спектральной линии:

∆F = F_max - F_min = 231,2 – 230,3 = 0,9 ТГц

Определим добротность  резонатора лазера:

Q =

= = 128

  
 
 

3 Фотоприемники.

     3.1. Из  каких  основных  элементов  состоит   фотоприемник  ФПУ?

     а) для аналогового сигнала, б) для цифрового.

     3.2. Какие  типы  фотодиодов  применяются   в  ФПУ   ВОСП?

     В  ФПУ  ВОСП  используются  p-i-n  ФД  и лавинные  фотодиоды (ЛФД).

     3.3. Почему  на  p-i-n  фотодиод  подается  обратное  смещение?

     Для разделения свободных электронно-дырочных пар образующихся в результате освещения. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направлениях к своим электродам, образуя электрический ток.

     3.4. Какие  основные  элементы  содержит  эквивалентная   схема  фотодиода  и  ФПУ.

     Эквивалентная  схема  фотодиода  содержит  Rg, Сg- сопротивление и емкость  закрытого  ФД, Rв Lв– сопротивление и индукативность выводов, Ск- емкость контактов.

     

     Эквивалентная схема  фотодиода.

     

     Эквивалентная схема ФПУ.

     Дополнительно здесь присутствуют в схеме разделительная емкости С_Р и емкостей входного усилителя С_{ВХ УС}, выводов ФД С_В, .

     3.5. Чем  определяется  полоса  пропускания  ФПУ?

     Постоянная времени  фотоприемника характеризует его  быстродействие и зависит от многих параметров: подвижности носителей заряда, ширины обедненной зоны, длины волны света, а также от того, движутся ли носители заряда под действием электрического поля или вследствие диффузии. Зная постоянную времени фотоприемника τ, можно определить ширину пропускания фотодетектора: ∆ f пр = 0,4/ τ. Таким образом, чем меньше т, тем больше полоса пропускания.

     3.6. Назвать  основные  характеристики  фотодиода.

     1) порог чувствительности (величина минимального сигнала,  регистрируемого фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 вт/гц1/2;

     2) уровень шумов - не свыше 10^-9 а;

     3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3-15 мкм;;

     4) спектральная чувствительность (отношение  фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5=1 а/вт;

     5) инерционность (время установления фототока) порядка 10^-7-10^-8 сек.

     3.7. Чем  отличается  лавинный  фотодиод  от  р-i-n  фотодиода?