11855

Характеристики модуляции сигналов оптического диапазона

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Текст лекции № 21 по дисциплине: Теория электрической связи Характеристики модуляции сигналов оптического диапазона Введение Волоконнооптические линии связи ВОЛС имеют ряд преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей. К ни

Русский

2013-04-14

683.5 KB

55 чел.

Текст лекции № 21

по дисциплине: «Теория электрической связи»

«Характеристики модуляции 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.

1. Характеристики прямой модуляции

Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение (рисунок 1), которое позволяет получить линейный процесс.

Рисунок 1 – Прямая модуляция со смещением

Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду через волновую поверхность площадью один квадратный метр. Однако для описания процесса модуляции часто применяется просто параметр мощности:

(1)

где

постоянная или максимальная мощность излучения

в зависимости от выбора величины тока смещения;

М

параметр глубины модуляции.

Параметр глубины модуляции определяется следующим соотношением:

(2)

где

пиковая мощность оптического излучения;

минимальная мощность оптического излучения.

Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением, как показано на рисунке 7. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции могут искажаться. Поэтому при модуляции интенсивности выбирается линейный участок «ваттамперной» характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования применяется степенная аппроксимация.

Степенная аппроксимация ваттамперной характеристики с нелинейностями в окрестностях некоторой рабочей точки  (ток смещения) можно представить в виде зависимости мощности излучения:

(3)

где

коэффициенты аппроксимации.

Полагая, что ток, проходящий через прибор (СИД или ППЛ), подчиняется закону:

(4)

После подстановки 3 в 2 и перехода к мощности получится:

(5)

Таким образом, нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра, т.е. появлению гармоник сигнала  и т.д. Изменение спектра опасно образованием переходных помех в многоканальных системах. По этой причине на искажения введены показатели для оценки нелинейности: затухание нелинейности по мощности второй и третьей гармоник:

(6)

Минимально допустимые значения:  

Для достижения указанных значений  могут применяться различные методы уменьшения нелинейных искажений: предыскажение, использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация и другие.

Введение предыскажение в информационный сигнал S(t) до модуляции, обратных тем, которые при модуляции вносит источник излучения, позволяет выполнить требование по минимальной величине а2г и а3г, однако в этом методе реализация модулятора чувствительна к возможным изменениям ваттамперной характеристики [8].

Метод отрицательной обратной связи широко применяется для компенсации нелинейных искажений в усилителях аналоговых систем. Однако при реализации в оптическом модуляторе имеет место особенность в использовании оптического канала (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема модулятора с компенсацией нелинейных искажений

в цепи обратной связи

Излучаемая мощность  будет пропорциональна параметрам передачи сигнала в цепи обратной связи, образованной фотодиодом и усилителем 1:

(7)

где

R

коэффициент, учитывающий передачу в усилителе 2.

Необходимо отметить, что кроме компенсации нелинейных искажений в схеме с обратной связью стабилизируется величина средней излучаемой мощности и поддерживается рабочий режим источника излучения. Идея метода фазовой компенсации отражена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Подавление второй гармоники при фазовой компенсации

При фазовой компенсации продуктов нелинейности модуляции (второй гармоники) применяется одновременная модуляция двух близких по характеристикам приборов. При этом модулирующие сигналы S(t) сдвинуты по отношению друг к другу на 90° (π/2). Фазы вторых гармоник будут сдвинуты на величину π (180°), т.е. будут интерферировать в общем пути в противофазе.

Для уменьшения влияний нелинейных искажений на качество передачи информации в аналоговых системах применяют предварительную модуляцию на «поднесущей» частоте. При этом модулированный сигнал преобразуется в формат импульсного «двухуровнего» сигнала с частотно-импульсной, широтно-импульсной, время-импульсной модуляцией (ЧИМ, ШИМ, ВИМ).

Модуляционные характеристики светоизлучающего диода

Частотная характеристика модуляции светоизлучающего диода (СИД) имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую временем жизни инжектированных носителей зарядов в активном слое :

(8)

где

f

частота модулирующего сигнала S(t).

Полоса частот модуляции СИД определяется по частоте, на которой обнаруживается уменьшение средней квадратичной мощности модулированного сигнала в два раза:

(9)

Это возможно в случае:

(10)

В логарифмическом масштабе это изменение мощности будет соответствовать:

(11)

На рисунке 4 представлен график частотной характеристики модуляции СИД.

Рисунок 4 – Частотная характеристика модуляции СИД

Реальная полоса частот модуляции СИД зависит от конструкции прибора и, как правило, не превышает 100 МГц. Эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Эквивалентная схема модулятора с СИД

Заметное отличие имеют характеристики модуляции СИД в высокочастотном непрерывном и импульсном режимах модуляции. Высокочастотный непрерывный режим предполагает большой ток прямого смещения , на который накладывается гармоническое воздействие:

(12)

где

В таком случае задержки рекомбинации определяются временем жизни носителей заряда в активном слое  и внутренней квантовой эффективностью. Достижимая полоса частот модуляции может быть расширена до 200 МГц.

Рисунок 6 – Характеристика быстродействия СИД при модуляции

В импульсном режиме модуляции, когда происходит включение и выключение прибора большим сигналом, скорость релаксации зависит не только от , но и от таких процессов, как перезарядка барьерной емкости p - n перехода, установлением распределения концентрации носителей зарядов во всей области излучения. При этом наблюдается задержка включения:

(13)

где

напряжение на диоде;

амплитуда модулирующего импульса.

Общее время включения СИД при импульсной модуляции составит:

(14)

В результате этого полоса частот модуляции СИД не достигает и 100 МГц. Только в короткозамкнутом режиме, когда выключается  и замыкается цепь СИД, полосы частот модуляции малым и большим сигналом могут быть равными.

Модуляционные характеристики полупроводникового лазера

Частотная характеристика модуляции ППЛ имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую спонтанным временем жизни фотона в активном слое внутри резонатора:

(15)

где

пороговый ток лазера;

ток модулирующего импульса.

Частотные характеристики модуляции ППЛ зависят и от добротности резонатора:

(16)

где

С

скорость света;

n

показатель преломления активного слоя ППЛ;

L

длина резонатора;

P

потери на рассеяние;

коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Кроме того, выбор величины тока смещения относительно порогового позволяет изменять полосу частот модуляции (рисунок 7).

Рисунок 7 – Частотные характеристики модуляции ППЛ

При возбуждении лазера скачком тока  наблюдается задержка начала генерации на время , которое необходимо для возрастания плотности носителей зарядов до порогового уровня:

(17)

Резкое увеличение концентрации носителей заряда в свою очередь вызывает возрастание рекомбинационного излучения, которое опять с задержкой увеличивает вынужденную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей заряда и уменьшению излучаемой мощности. Наличие задержек приводит к колебательному процессу, называемому «пичковым» или «звоном лазера». Пичковый режим ограничивает частотный диапазон модуляции многомодового лазера. Применение в технике оптической связи узкополосковых лазеров, лазеров зарощенного типа, одномодовых лазеров РОС со специальными поглощающими противопичковыми добавками на основе титана исключили в значительной степени влияние «звона».

Выводы:

1. Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение, которое позволяет получить линейный процесс.

2. Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением.

3. Применение в технике оптической связи узкополосковых лазеров, лазеров зарощенного типа, одномодовых лазеров РОС со специальными поглощающими противопичковыми добавками на основе титана исключили в значительной степени влияние «звона».

2. Характеристики обратной модуляции

ВНЕШНЯЯ МОДУЛЯЦИЯ оптического излучения позволяет практически полностью исключить чирпинг-эффект, снизить шумы модуляции, сформировать требуемую форму оптических импульсов и даже подавить полностью или частично оптическую несущую частоту, понизив тем самым совокупную мощность когерентного сигнала в стекловолокне, что, естественно, снижает вероятность нелинейных искажений в многоволновых системах передачи.

Внешняя модуляция происходит в ряде материалов, пропускающих оптические волны, где существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим сжатием и т.д. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Такие изменения называют модуляцией.

Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили электрооптический эффект, электроабсорбционный эффект, который часто причисляется к электрооптическому, и акустооптический эффект. Поэтому в дальнейшем рассматриваются электрооптическая и акустооптическая модуляции оптического излучения когерентных источников.

Внешняя модуляция имеет различные импульсные форматы:

  •  NRZ, non return to zero – без возврата к нулю на тактовом интервале;
  •  RZ, return to zero – возврат к нулю на тактовом интервале.

Для систем передачи с волновым мультиплексированием WDM применяется внешняя модуляция с экономией спектра, т.е. с минимальными спектрами боковых частот и с частичным или полным подавлением оптической несущей. Это актуально для скоростей передачи 10, 40 и 100Гбит/с.

Электроабсорбционная модуляция

В электроабсорбционных оптических модуляторах используется эффект Франца – Келдыша. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводниках смещается в длинноволновую область оптических излучений. Для GaAs это смещение происходит при напряженности поля 1,3 x 10 5 В/см.

Наличие резкой границы полосы поглощения у прямозонных материалов при приложении электрического поля может привести к сильному изменению поглощения вблизи границы полосы. Для GaAs эта граница может быть сосредоточена около 0,9 мкм. Другие материалы выбирают для изготовления модуляторов на длине волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.

На рисунке 8 представлена конструкция одного из электроабсорбционных оптических модуляторов (ЭАБОМ).

Рисунок 8 – Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ

Глубина модуляции интенсивности излучения на выходе ЭАБОМ зависит не только от изменения a, но и от длины модулятора. Оценка изменения поглощающей способности приведена в:

(18)

где

Таким образом, может быть получено изменение прозрачности на 20 дБ. ЭАБМ имеют малую инерционность и поэтому получили применение в высокоскоростных ВОСП на скоростях 10-40 Гбит/с. Пример конструкции ЭАБОМ, совмещаемого с лазером РОС в единый модуль, приведен на рисунке 9.

Рисунок 10 – Интегральная конструкция оптического модуля передачи

(лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)

Выводы:

1. Внешняя модуляция происходит в ряде материалов, пропускающих оптические волны, где существует возможность изменения параметров волновых процессов.

2. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим сжатием и т.д.

3. Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили электрооптический эффект, электроабсорбционный эффект, который часто причисляется к электрооптическому, и акустооптический эффект.

4. Внешняя модуляция имеет различные импульсные форматы:

  •  NRZ, non return to zero – без возврата к нулю на тактовом интервале;
  •  RZ, return to zero – возврат к нулю на тактовом интервале.

Заключение

Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции

Преобразование электрических сигналов в оптические можно реализовать в передатчике несколькими способами (прямой модуляцией, внешней электрооптической, акустооптической, электроабсорбционной модуляцией). Какое значение имеет каждый вид модуляции?

Например, при сравнении прямой и внешней модуляции на скорости передачи импульсов цифрового сигнала в 10 Гбит/с в стандартном одномодовом оптическом волокне (G.652) допустимые дальности передачи составляют [76]:

при прямой модуляции – до 20 км;

при электроабсорбционной модуляции – до 100 км;

при электрооптической модуляции (модулятор Маха – Зендера) - свыше 100 км, а при наличии оптических усилителей – до 1500 км [74].

Лучшие результаты может обеспечить передача по волокнам с характеристиками G.655, G.656 (смещенная ненулевая дисперсия), что обусловлено меньшими дисперсионными искажениями и нелинейными эффектами.

Причиной столь существенных различий является эффект чирпинга, т.е. паразитной частотной модуляции или динамического расширения спектра оптического модулированного сигнала.

Акустические модуляторы не сравниваются по характеристикам из-за ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц [6]).

Среди перспективных высокоскоростных видов модуляции необходимо обратить внимание на внешнюю модуляцию двухступенчатой реализации с ограничением полосы модулированного сигнала в форматах NRZ и RZ при доубинарном фазовом и амплитудном кодировании с подавлением несущей частоты, с подавлением одной боковой (DB-CSRZ, CS-RZ DPSK, NRZ DPSK, DQPSK, D8PSK, D16PSK, SSB). Эти виды модуляция предназначены, прежде всего, для систем DWDM большой протяженности линий со скоростью передачи в каждом канале 40Гбит/с и выше с минимизацией межканальных помех и частотного интервала между каналами оптической передачи. В перспективе модули оптической передачи для DWDM будут выполняться гибридными (рисунок 11), где совмещаются источники излучения со схемами стабилизации режима работы, оптические внешние модуляторы Маха-Зендера, оптические мультиплексоры и элементы волоконной оптики.

Рисунок 11 – Гибридный модуль передачи 25 каналов WDM

на общую скорость до 1Тбит/с

Разработал:

кандидат технических наук

О.Р. Кивчун

«___»__________ 2013 года


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60371. Report 35 KB
  The purpose of the report is to comment on... and to make recommendations for possible improvements. Although conditions are generally good, there are...
60376. Учить учащихся делать записи 1.28 MB
  В конспекте с помощью букв знаков дан материал нескольких параграфов составляющий блок изучаемой темы. Распространены оригинальные подходы к записи учебного материала в которых отображаются...
60379. Створення запитів та форм 1.62 MB
  Поняття таблиці, поля, запису. Основні етапи роботи з базами даних у середовищі системи управління базами даних. Режими роботи в СУБД. Відображення моделі...