11854

Модуляция и детектирование сигналов оптического диапазона

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Тема: Модуляция и детектирование сигналов оптического диапазона Текст лекции № 20 по дисциплине: Теория электрической связи Модуляция и детектирование сигналов оптического диапазона Введение Волоконно-оптические линии связи ВОЛС имеют ряд преимущес...

Русский

2013-04-14

542.5 KB

70 чел.

Тема: «Модуляция и детектирование сигналов оптического диапазона»

Текст лекции № 20

по дисциплине: «Теория электрической связи»

«Модуляция и детектирование сигналов оптического диапазона»

Введение

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей.

К ним относятся: большая пропускная способность, малое затухание, малые веса и габариты, высокая помехозащищённость, надёжная техника безопасности, практически отсутствие взаимного влияния, долговечность.

Преимущества ВОЛС настолько значительны, что, несмотря на имеемые недостатки, эти линии связи очень широко используются на практике. Перспективы их использования очень значительны.

Поэтому необходимо иметь комплекс знаний по принципам построения этих линий.

1. Принцип действия волоконных световодов. Источники светового излучения

В ВОЛС применяют электромагнитные волны (ЭМВ) оптического диапазона. Видимое оптическое излучение лежит в пределах длин волн  нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т. е. излучение с длиной волны более нм. По ВОЛС передаются широкополосные сигналы многоканальной связи.

Простейший световод представляет собой тонкое волокно цилиндрической формы, которое состоит из сердечника с показателем преломления , оболочки с показателем преломления  и внешнего покрытия.

Рис. 1.1. Путь лучей для нескольких углов падения,

, где  и  – показатели преломления двух различных сред

По сердечнику передаётся ЭМВ в виде световой волны, поэтому его изготавливают из материала с наименьшими оптическими потерями (кварц, многокомпонентные стёкла). Оболочка предназначена для создания лучших условий отражения на границе сердечник-оболочка и уменьшения излучения энергии в окружающее пространство. В оболочке можно допустить большие потери, поэтому её изготавливают из стекла или пластика. Для защиты от внешних воздействий на оболочку световода наносится полимерное покрытие.

Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического волокна основан на отражении от сред с разными показателями преломления.

Рисунок 1.2 – Иллюстрация принципа распространения

оптического излучения (двухслойное стекло)

Угол полного отражения (критический угол), при котором падающее на границу раздела двух сред излучение полностью отражается без проникновения во внешнюю среду, определяется соотношением:

Закон Снеллиуса

(1.1)

Излучение должно вводится в волокно под углом к оси, меньшим .

Рисунок 3 – Сердечник волоконно-оптического световода

(1. Сердечник. 2. Отражающая оболочка. 3. Защитное покрытие, буфер.

4. Вторичный буфер. 5. Защитный лак.)

Сердечник (Core) (обычно из стекла, реже – пластик) используется для передачи светового сигнала –  или мкм.

Внешний диаметр отражающей оболочки – мкм.

Существуют три основных типа оптического волокна (ОВ), отличающихся числом мод (световых волн) 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.

Рисунок 4 – Основные типы оптического волокна

ОДНОМОДОВОЕ ВОЛОКНО проектируется так, что в нем может распространяться только одна мода (диаметр сердечника обычно  мкм, что сопоставимо с длиной используемой волны ; мкм). Применяется для передачи сигналов на большие расстояния.

Используемая длина волны –  нм или  нм. Потери:  нм – около дБ/км;  нм – около дБ/км.

У МНОГОМОДОВОГО ВОЛОКНА диаметр сердечника (обычно  или мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). И так как разные моды имеют разную длину, то сигнал на приемнике будет заметно «размазан» по времени. Используемая длина волны – нм или нм.

Потери:  нм – около  дБ/км; нм – около  дБ/км. Количество мод зависит от значения нормированной частоты:

;

(1.2)

где

радиус сердцевины

для ОВ без оболочки

=

1

=

,

длина волны

Член  в уравнении (1.2) называется числовой апертурой (NA).

Мы можем оценить число мод , которые волокно поддерживает, используя формулу (1.3). Если , то распространяется только одна мода (). Если больше, чем , то может распространяться больше, чем одна мода. При относительно большом числе распространяющихся мод можно получить следующую оценку:

;

(1.3)

Одномодовые световоды имеют электрические характеристики лучше многомодовых.

На рисунке 3 показана конструкция и профили показателей преломления: СТУПЕНЧАТЫЙ и ГРАДИЕНТНЫЙ для многомодового волокна. Ступенчатый профиль показателя преломления характеризуется резким (в виде ступеньки) изменением показателя преломления (от  к ) на границе раздела, тогда как градиентный - плавным изменением.

МНОГОМОДОВОЕ ВОЛОКНО СО СТУПЕНЧАТЫМ ПРОФИЛЕМ показателя преломления является более экономичным по сравнению с градиентным волокном.

Затухание оптического волокна (ОВ) определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние – от неоднородностей показателя преломления материала. Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость затухания от длины волны имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было освоено окно прозрачности на рабочей длине волны мкм. Первые лазеры и фотоприёмники были разработаны именно для данной длины волны. Позднее были созданы излучатели и приёмники для волн диапазона и мкм. Современные системы используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания.

Источники светового излучения

Как источники света в настоящее время используются лазеры и полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) (рисунок 5).

Рисунок 5 – Источники светового излучения

Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, вырабатывающий когерентные колебания с частотой Гц. Принцип его работы основан на явлении перехода электронов атома с верхнего энергетического уровня на нижний. При таком переходе энергия излучается в виде потока фотонов.

Полупроводниковые лазерные диоды, как правило, используются в качестве источников света в высокоскоростных (Мбит/с) системах дальней связи.

СИД представляет собой некогерентный источник света в узкой полосе частот. Физической основой работы СИД является инжекционная электролюминесценция в полупроводнике с p-n переходом. При приложении напряжения в прямом направлении    электроны перемещаются    из n-области в p-область. Взаимодействие электрона с дыркой    приводит к излучению кванта света (фотона).

СИДы существенно дешевле в производстве, чем лазерные диоды (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. Их применение обычно ограничено системами, работающими на скорости  Мбит/с и ниже. СИДы особенно широко используются в офисных системах заказчика.

Выводы:

Наиболее перспективными источниками света являются полупроводниковые лазеры, предложенные в 1961 г. советскими учеными Н.Г. Басовым, Ю.М. Поповым и О.Н. Крохиным. В оптическом резонаторе лазера образуется когерентное в пространстве и времени излучение, позволяющее более эффективно вводить энергию в световод.

Современные СИД позволяют получить ширину полосы модуляции до  МГц, лазеры – до  ГГц, в перспективе ожидается полоса передаваемых частот СИД до  ГГц, лазерами – до  ГГц.

2. Модуляция света и классификация её видов

Сигналы, поступающие от источников сообщений (микрофона, телевизионной камеры, датчика телеметрии и других), как правило, не могут быть непосредственно переданы по каналу радиодиапазона или оптического диапазона частот. Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде (атмосфере или стекловолокне), необходимо перенести спектр сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот.

Процедура переноса спектра из низких частот в область высоких частот называется МОДУЛЯЦИЕЙ. Обратная процедура получила название ДЕМОДУЛЯЦИИ.

Модуляция в оптических системах с одноканальной и многоволновой передачей должна удовлетворять ряду требований:

  •  при модуляции должен создаваться компактный спектр сигнала, спектральная эффективность должна приближаться к величине 0.4-0.5 бит / с/ Гц (например, полоса 100 ГГц при скорости 40 Гбит / с);
  •  модулированный сигнал должен быть максимально устойчив к нелинейным эффектам;
  •  модулированный сигнал должен быть устойчивым к дисперсионным и нелинейным искажениям в волоконно-оптической линии и устройствах компенсации дисперсии и оптического усиления;
  •  конфигурация оптического передатчика и приемника должны быть достаточно простыми.

В технике оптических систем передачи этим требованиям соответствуют в определенной степени внешняя и прямая модуляция электромагнитных излучений оптического диапазона.

ВНЕШНЯЯ МОДУЛЯЦИЯ основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду (рисунок 5).

Рисунок 5 – Принцип внешней модуляции

Внешняя модуляция основана на следующих физических явлениях.

Электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Магнитооптический эффект Фарадея – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Упругооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (или механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, эффект Рамана – Ната).

Электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Наиболее широкое применение в модуляторах оптических передатчиков получили электрооптический и электроабсорбционный эффекты. Модуляторы на их основе называются ЭОМ и АБОМ. Эти модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 100 Гбит/с и выше).

Прямая модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения (рисунок 6).

Рисунок 6 – Принцип прямой модуляции

Выводы:

Прямая модуляция отличается относительной простотой и реализуемостью в интегральных схемах, что труднодостижимо для внешней модуляции. Однако применение прямой модуляции имеет частотный (скоростной) предел около 5 ГГц (2,5 – 5,0 Гбит/с). Это обусловлено конечным временем жизни носителей зарядов и фотонов в средах преобразования (активном слое лазерного диода).

Относительная простота и низкая стоимость прямой модуляции обусловили ее широкое применение в оптических системах передачи аналоговых и цифровых сигналов с модуляцией интенсивности (мощности) излучения.

Помимо модуляции интенсивности излучения нашли применение методы модуляции фазы, частоты и поляризации оптического излучения как для передачи информационных сигналов, так и для высокоточных датчиков

Заключение

Основными преимущества использования ВОЛС являются:

–более широкая полоса пропускания (от  МГц до  ГГц), чем у медного кабеля (от  до  МГЦ);

–невосприимчивость к электрическим помехам;

–низкие потери при передаче сигнала;

–не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях;

–увеличение дальности передачи до  км;

–высокое качество передаваемого сигнала;

–оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

Недостатки передачи сигналов по ВОЛС:

–кабель и приёмопередающее оборудование для ВОЛС дороже, чем оборудование, применяемое для передачи сигналов по витой паре или коаксиальному кабелю;

–для прокладки оптоволоконного кабеля требуются квалифицированные специалисты. Необходимы специальное оборудование и инструмент для монтажа разъемов и сращивания кабеля.

Разработал:

кандидат технических наук

О.Р. Кивчун

«___»__________ 2012 года


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7222. Технология радиальной ковки для производства полых изделий из сплошной заготовки без прошивки 437 KB
  1.Введение Технология радиальной ковки для производства полых изделий из сплошной заготовки без прошивки Технология основана на использовании специальных режимов деформирования сплошной заготовки на радиально-ковочной машине (РКМ). Технология не пре...
7223. Расчёт электрических нагрузок электрической цепи питающей трехфазные асинхронные двигатели 276 KB
  Контрольное задание. Расчет электрических нагрузок по методу коэффициента максимума. Расчет среднесменной нагрузки. Расчёт активной среднесменной нагрузки. Расчёт реактивной среднесменной нагрузки. Расчёт средневзвешенных зна...
7224. Электропривод звена промышленного робота (поворот колонны) 1.44 MB
  Введение Современный электропривод представляет собой конструктивное единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механиче...
7225. Расчет асинхронного двигателя с фазным ротором 280 KB
  Расчет асинхронного двигателя с фазным ротором Техническое задание Спроектировать трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором: Р2 = 28 кВт U = 220/380 В 2р = 4 конструктивное исполнение IM1001 исполнение по способу защиты IP23 способ охла...
7226. Построить электронное устройство в соответствии с предложенной схемой и исходными данными 712.5 KB
  1. Введение Целью курсового проекта является закрепление знаний по курсу Схемотехника ЭВМ и освоение методов расчета, схемотехнического проектирования и конструирования блоков и элементов ЦВМ. При выполнении проекта необходимо построить электронно...
7227. Маркетинговые исследования рынка импортных косметических средств по уходу за кожей 260.8 KB
  Маркетинговые исследования рынка импортных косметических средств по уходу за кожей Введение Косметика в переводе с греческого - искусство украшать. Косметика зародилась одновременно с появлением человека. Ее история тесно связана с уровнем ...
7228. Выбор и расчет рациональных способов восстановления деталей на примере толкателя клапанов тракторного двигателя 370.5 KB
  Выбор и расчет рациональных способов восстановления деталей на примере толкателя клапанов тракторного двигателя Задание Необходимо выбрать оптимальный способ восстановления детали с подробным описанием операций, расчетом времени и себестоимости...
7229. Инвестиционный проект модернизации ОАО Рыбинские моторы 209 KB
  Инвестиционный проект модернизации ОАО Рыбинские моторы В данном курсовом проекте все три фазы рассмотрены в первой части. Во второй части проекта произведен расчет наиболее выгодного источника получения денежных средств для осуществления данного пр...
7230. Разработка проекта рациональной организации поточной линии на производстве 169.62 KB
  Введение. Задачей любого предприятия является повышение качества производимой продукции или услуги при минимальных затратах на производство, поэтому тема Организация поточного производства очень актуальна, в ней я рассматриваю вопросы оптимального...