Архив за месяц: Март 2017

Оптический передатчик

Опубликовано 28.03.2017

Оптический передатчик является электрооптическим прибором для преобразования электрических сигналов в оптические сигналы. Он состоит из когерентного источника света и промежуточных соединительных компонентов между коаксиальным входом и оптическим выходом. С выхода оптического передатчика оптический сигнал подается в оптическое волокно.

Подробнее

Основными факторами при выборе оптических передатчиков являются:

Быстродействие (скорость переключения). Источник должен иметь малое время переключения (включения и выключения), чтобы соответствовать требованиям к скорости передачи информации в системе. Скорость переключения определяется временем нарастания (время, требуемое для увеличения выходной мощности источника от 10 до 90 %).
Выходная мощность. Источник должен иметь выходную мощность, достаточную для того, чтобы на выходе волокна было возможно уверенное детектирование оптического сигнала. Уровень выходного сигнала источника должен значительно превышать потери на проход через волокно и на волоконных соединениях и обеспечивать достаточное отношение сигнал/шум на входе детектора.
Длина волны выходного сигнала. Длина волны света, излучаемого источником, должна быть стабильна, а потери на этой длине волны должны быть минимальными в полосе пропускания волокна.
Ширина спектра излучения. В идеальном случае спектр излучения источника должен включать единственную длину волны, чтобы материальная дисперсия в волокне была минимизирована. Но спектр излучения реальных источников включает множество гармоник, поэтому его ширина определяется по уровню 50 % от максимального выходного значения амплитуды.

Важнейшей частью оптического передатчика является специальный источник когерентного направленного излучения, преобразующий входную электрическую энергию в выходную световую энергию. Такими преобразователями являются светоизлучающие диоды (LED) и лазерные (LASER) диоды. Те и другие источники изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих излучающими свойствами, например, на основе арсенида галлия (GaAs). Первое поколение оптический передатчиков было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 850 нм в много-модовом режиме. К второму поколению относятся одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1310 нм. Позднее светодиодные излучатели были заменены на более качественные суперлюминисцентные диоды и лазеры.

Третье поколение передатчиков было создано на основе лазерных диодов с рабочей длиной волны 1550 нм. Последнее, четвертое поколение оптических передатчиков дало начало когерентным системам связи, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы оптического излучения. Такие системы связи обеспечивают очень большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну без оптической регенерации — до 2,5 Гбит/с при протяженности линии более 500 км. Рассмотрим структуру обоих типов излучателей.

Светоизлучающий диод (Light Emitted Diod) представляет собой р-n переход, который самопроизвольно излучает свет при пропускании через него электрического тока. Вводя в переход путем легирования атомы различных добавок, таких как индий, алюминий, фосфор, можно менять длину волны излучения диода. Конус излучения LED-диодов значительно больше, чем апертура одно-модового оптического волокна. Вследствие этого эффективность ввода излучения LED-диода в волокно с маленьким диаметром очень низка, если не применяется специальных методов локализации излучения. Хотя существует множество различных способов производства LED-структуры, в настоящее время преимущественно используется два: с воронкообразным эмиттером и с краевым эмиттером. Диод с воронкообразным эмиттером излучает свет с поверхностной области открытого углубления в виде воронки. Такая структура испускает широко расходящийся световой луч. Диод с краевым эмиттером излучает свет из узкой полоски, вложенной в полупроводник, и получаемый в этом случае световой луч существенно уже, чем в первом случае. LED-источники имеют следующие характеристики:

широкий спектр выходного излучения;
относительно слабая зависимость выходной мощности излучения от температуры, что позволяет упростить конструкцию прибора и обойтись без температурной компенсации;
излучающий элемент имеет довольно большие размеры, поэтому потери при вводе света в волокно могут составлять более 10 дБ;
продолжительное время эксплуатации;
высокая емкость излучающего элемента может препятствовать цифровой модуляции на высоких скоростях;
зависимость выходной мощности излучения от входного тока линейна в большей части диапазона, что особенно хорошо для систем с аналоговой модуляцией;
выходная мощность ниже, чем у лазерных диодов;
невысокая стоимость.

По вышеперечисленным характеристикам LED-источники наилучшим образом подходят для служб с низкими скоростями передачи и систем небольшой протяженности, где недостатки этих приборов не слишком существенны. Использование многомодового волокна с большим диаметром сердцевины имеет много преимуществ в системах ограниченной длины, например, в пределах одного многоэтажного здания или группы близлежащих зданий. В таких случаях широкополосное излучение диода не будет серьезным ограничением.

Лазерные диоды являются также полупроводниковыми источниками. Понятие лазер происходит от аббревиатуры английского названия оптического квантового генератора (Light Amplification by Stimulating Emission and Radiation). Основным элементом структуры лазера является оптический резонатор, представляющий собой объемную полость из оптического материала. Лазерный диод (или просто лазер) может функционировать как обычный LED-диод, пока возбуждающий входной ток не достигнет порогового значения. В этой точке процесс рекомбинации излучаемых фотонов (который происходит в обычном LED) начинает стимулировать дополнительную эмиссию фотонов внутри оптического резонатора. Этот процесс называется оптической генерацией.

С увеличением температуры прибора пороговое значение тока растет и выходная оптическая мощность изменяется. Длина волны выходного оптического излучения зависит от температуры и в связи с этим лазерам, в отличие от LED-диодов, требуется температурная компенсация, поэтому устройство лазеров значительно более сложно, чем устройство LED-диодов. Одним из используемых методов температурной компенсации является термоэлектрическое охлаждение с обратной связью (ТЕС). Когда электрический ток проходит через материал лазера, одна его сторона нагревается сильнее. Чувствительным элементом лазера является термистор, реагирующий на изменение температуры изменением сопротивления. С его помощью ток возбуждения лазера автоматически регулируется и стабилизируется. В дополнение к температурной стабилизации большинство лазеров включают контроль смещения, обеспечивающий стабилизацию самого порогового тока, который в противном случае мог бы также измениться под воздействием температуры.

Очевидно, функции стабилизации увеличивают сложность, а следовательно, и стоимость лазерных диодов по сравнению с обычными LED-диодами. Важным свойством лазерных излучателей является линейность выходной характеристики, что особенно важно при трансляции аналоговых сигналов.

Лазерные источники света имеют следующие характеристики:

Выходная мощность зависит от температуры и требует сложной температурной компенсации, которая встраивается в прибор.
Длина волны излучения зависит от температуры.
Пороговый ток необходимо контролировать путем наблюдения за мощностью выходного излучения.
Лазеры обычно производят некоторое оптическое излучение все время благодаря тому, что даже в режиме покоя они находятся в смещенном состоянии выше порогового тока генерации, чтобы в рабочем режиме избежать попадания в пороговую область.
Обычно лазеры имеют более высокую мощность излучения, чем LED-диоды.
Лазеры излучают более узкий световой луч, что упрощает ввод излучения в волокно с маленьким диаметром сердцевины.
Лазеры имеют очень узкий, почти монохроматический, спектр излучения, т.е. все излучение сосредоточено на одной длине волны или рядом с ней. Этим объясняется то, что материальная дисперсия в волокне в этом случае минимальна.
Лазерные диоды более дороги, чем светоизлучающие.
Лазеры обычно имеют менее продолжительное время эксплуатации, чем LED-диоды.
Лазеры имеют более короткое время нарастания, что позволяет использовать их для модуляции на высоких скоростях передачи.

Ввиду вышеперечисленных факторов лазеры более предпочтительны для передачи сигналов служб, требующих высоких скоростей, и систем большой протяженности, в которых используется одномодовое волокно.

Далее приводятся требования стандарта EN-50083 к набору показателей, публикуемых производителем в спецификации оптического передатчика:

тип источника света (например, LED или DFB лазерный диод);
средняя выходная мощность в дБм и ее допуск на оптическом интерфейсе в режиме основной моды;
центральная длина волны и ее допуск в нм;
диапазон длин волн в нм;
спектральная ширина при модуляции;
максимальная относительная интенсивность шума;
отношение C/N при указанном оптическом индексе модуляции;
минимальный оптический коэффициент возвратных потерь;
напряжения и ток питания;
тип волоконного соединителя или сплайса;
тип волокна;
среднее время наработки на отказ (MTBF);
модуляционные характеристики:
электрический входной уровень и допуск для указанного индекса модуляции;
диапазон модуляционных частот;
неравномерность модуляционной характеристики;
композитные искажения второго порядка с условиями измерения;
композитные тройные биения с условиями измерения;
композитная кроссмодуляция с условиями измерения;
влияние дисперсии на частотную характеристику, CSO, СТВ и СХМ.

Приемник может быть снабжен индикаторами тревоги и отказа при отклонениях выходного оптического уровня и номинальной температуры, а также индикатором «on», индицирующим включение светового излучения. Электрический входной порт прибора должен иметь номинальный импеданс 75 Ом (в некоторых случаях, указанных в стандарте, допустим импеданс 50 Ом). Коэффициент возвратных потерь должен соответствовать одной из категорий, приведенных в EN 50083.

Оптический приемник

Опубликовано 15.03.2017

Оптический приемник является электрооптическим прибором для преобразования оптических сигналов в электрические сигналы. Он состоит из оптического детектора и промежуточных соединительных компонентов между оптическим входом и коаксиальным выходом. На вход оптического приемника подается оптический сигнал с выхода волоконно-оптической линии.

Подробнее

Приемник обрабатывает полученный электрический сигнал, усиливая его и приобразуя импульсы тока в импульсы напряжения, чтобы сигнал с выхода приемника был совместим с той радиочастотной системой передачи, которая подключается к его выходу. Именно параметры оптического приемника во многом определяют технические возможности распределительной системы, среди которых длина регенерационного участка, рабочая полоса частот реверсного канала и качество выходного сигнала.

Основными факторами при выборе оптических приемников являются:

Чувствительность фотодетектора. Она измеряется соотношением его выходного напряжения к входной оптической мощности.
Квантовая эффективность. Это характеристика, которая аналогична чувствительности диода, выраженная как отношение числа фотонов, падающих на диод, к числу порожденных ими электронов, образующих ток во внешней цепи. Эффективность, равная 1 (или 100 %), означает, что каждый фотон увеличивает ток во внешней цепи на один электрон.
Темновой ток. Даже в отсутствии падающего света через диод протекает некоторый ток, объясняющийся тепловой генерацией электронно-дырочных пар. Этот ток, величина которого зависит от температуры прибора, называется темновым или током утечки.
Эквивалентная или средняя мощность шума (NEP). Это среднеквадратическая мощность сигнала, требуемая для получения единичного отношения сигнал/шум или минимальная оптическая мощность, необходимая для создания тока, равного собственному среднеквадратическому шумовому току прибора, который аналогичен тепловому порогу детектирования приемника.
Время нарастания (время срабатывания). Это время, которое требуется детектору для увеличения уровня его выходного электрического сигнала от 10 до 90 процентов пикового значения. Это время может составлять порядка 1 не для лавинных диодов, около 3 — 4 не для pin-диодов и зависит от напряжения смещения.

Основным элементом приемника является фотодетектор, который преобразует поступающую энергию света в электрическую энергию выходного сигнала. В настоящее время используется главным образом два типа фотодетекторов: PIN-диоды и лавинные диоды APD. Рассмотрим в общих чертах устройство этих приборов.

PIN-диод является полупроводниковой структурой, которая включает область положительных зарядов (positive), область отрицательных зарядов (negative) и разделяющую их нейтральную область (intrinsic), обедненную носителями зарядов. Обедненная область создается обратным смещением перехода, при котором через прибор течет очень слабый обратный ток. При обратном смещении электроны стремятся выйти из n-области во внешнюю цепь и образовать дырки в р-области, обедняя носителями заряда область перехода.

Когда свет падает на поверхность диода, поглощаемые фотоны создают электронно-дырочные пары в обедненной области. Затем электроны и дырки разделяются под действием обратного смещения перехода и текут в направлении своих областей. Каждая электронно-дырочная пара производит ток в один электрон во внешней цепи.

В идеальном PIN-диоде каждый фотон создает одну электронно-дырочную пару. Если на диод падает слабый световой поток, то производимый электрический ток может быть недостаточным, чтобы детектировать его на фоне внутреннего шума самого pin-диода и внешней цепи.

В настоящее время выпускается множество моделей оптических приемников с различными конструктивными особенностями. Сказать о всех особенностях невозможно, но попробуем осветить главные. В основе обычно лежит модульная конструкция с широким выбором модулей разного назначения. В зависимости от технических требований, предъявляемых к сети, по выбору разработчика в разных моделях могут быть установлены следующие компоненты: модуль АРУ, оптический передатчик обратного канала, диплексер прямого и обратного каналов, дополнительные сменные делители выходного сигнала. Наличие АРУ весьма важно в сетях с меняющейся нагрузкой или в условиях плохой стабильности параметров магистрали, в частности, при низком классе головной станции. Радиочастотный усилитель строится по тем же базовым принципам и схемам, которые были описаны в предыдущей главе. Выходная ступень должна иметь высокую линейность и создается по схеме Push-Pull или Power Doubler, между ступенями усилителя включается межкаскадный эквалайзер и аттенюатор с плавной или ступенчатой регулировкой.

Несмотря на возможность передачи света по волокну в обоих направлениях, обратный канал зачастую организуется по отдельному волокну с помощью передатчиков обратного канала, встроенных в некоторые модели оптических приемников, и оптических приемников обратного канала, устанавливаемых на головной станции. Основой оптического передатчика реверсного канала тоже служит полупроводниковый лазерный диод с системой температурной стабилизации мощности выходного излучения. Регулировка коэффициента модуляции осуществляется изменением уровня сигнала, подаваемого на модулятор излучателя, для чего на входе оптического передатчика установлен аттенюатор. Рабочая полоса частот передатчиков реверсного канала приемников может меняться в зависимости от его загруженности. Рабочая полоса оптического приемника прямого канала по выходу должна соответствовать полосе последующей распределительной сети (50 — 862 МГц или 900 — 2150 МГц).

Ряд дополнительных функциональных особенностей, предоставляемых оптическими приемниками:

возможность питания от местной электросети или по коаксиальному кабелю;
наличие тестовых точек контроля параметров прямого и обратного каналов;
наличие сменных диплексеров, позволяющих ступенчато менять верхнюю частоту обратного канала до 30, 55 или 65 МГц;
наличие дополнительного оптического входа для резервирования оптической магистрали;
наличие делителей мощности, позволяющих организовать два радиочастотных выхода;
наличие встроенного генератора пилотной частоты для контроля оборудования системой сетевого менеджмента NMS (Network Management System) на головной станции.

Описанные характеристики и особенности приемников позволяют создавать разветвленные гибридные интерактивные сети кабельного телевидения большой канальной и абонентской емкости с достаточно протяженными магистралями без оптических репитеров. Один оптический приемник может обслуживать коаксиальный распределительный сегмент, включающий от 500 до 2000 абонентов при трансляции до 80 цифровых и аналоговых сигналов. Например, уровень входного оптического сигнала приемника OR-8601A TVBS составляет -8…+2 дБм, а уровень выходного сигнала составляет 112 — 116 дБ-мкВ при отношении C/N более 51 дБ. Его входной динамический диапазон, таким образом, составляет не менее 10 дБ при чувствительности -8 дБ-м на длине волны 1550 нм. При использовании оптического передатчика OT8620 TVBS с выходной мощностью 13 дБм на длине волны 1330 нм протяженность оптической магистрали составит более 40 км при одновременной трансляции 40 телевизионных каналов и уровне входного сигнала 2 дБм с учетом того, что потери в волокне составят 0,4 дБ/км. Показатели СТВ и CSO этого приемника составляют соответственно более 65 и 61 дБ.

Производители должны сообщать следующие показатели оптического усилителя:

мощность насыщенная в зависимости от входной длины волны;
выходная мощность насыщения в зависимости от входной длины волны;
коэффициент шума в зависимости от входной мощности на указанной длине волны;
показатели нелинейных искажений;
оптический коэффициент возвратных потерь в диапазоне длин волн на входе (рекомендуемое значение должно превышать 40 дБ);
минимальный оптический коэффициент возвратных потерь, вызванный дисперсностью отражения;
напряжения и ток питания;
тип волоконного соединителя или сплайса;
тип волокна;
среднее время наработки на отказ (MTBF).

Усилитель должен быть снабжен индикатором выходной мощности «on», указывающим на излучение света.

Построение крупных кабельных телевизионных сетей невозможно без использования оптического волокна в качестве транспортной или магистральной линии передачи от головного оборудования к распределительным абонентским сегментам, выполняемым, как правило, на основе коаксиального кабеля. В начале оптической линии, на головной станции, устанавливается оптический передатчик. Конечным прибором оптической линии является оптический приемник. При большой протяженности магистрали или транспортной линии возможно включение между передатчиком и преемником оптического усилителя, но в обычных сетях кабельного телевидения в этом нет необходимости. Во многом качество передачи в оптической линии определяется качеством волокна.

Искажения и шумы для цифровых и аналоговых оптических систем определяются разными показателями и измеряются в разных единицах. Преобразование времени нарастания в полосу частот возможно. В спецификации на аналоговое активное оборудование и оптическое волокно обычно даются в тех же терминах, что и спецификации на активное оборудование коаксиальных систем. Это позволяет находить комплексные показатели качества гибридной системы методом комбинирования с помощью диаграмм или аналитических выражений и упрощает, тем самым расчеты при проектировании системы, включающей волоконно-оптические сегменты и коаксиальную структуру. Как и в коаксиальных системах, в аналоговых оптических системах величины интермодуляционных искажений зависят от числа телевизионных сигналов и уровня выходного оптического сигнала передатчика. Величина шума зависит от устройства приемника и уровня оптического сигнала на входе приемника.

Особенности оптической системы передачи

Опубликовано 15.03.2017

Технология оптической передачи является относительно новой по сравнению с технологией передачи по коаксиальному кабелю и в настоящее время уверенно и активно завоевывает позиции в сфере телекоммуникаций. Это в особенности относится к созданию больших телекоммуникационных систем с интеграцией услуг, где просто невозможно обойтись без использования оптики на транспортных или магистральных направлениях по причине высоких требований к качеству передачи.

Подробнее

В настоящее время производится целый спектр оборудования и кабеля для оптических систем передачи. К этому оборудованию относятся головные станции с оптическими передатчиками, оптические приемники и различные вспомогательные оптические приборы, предназначенные для мультиплексирования и демультиплексирования сигналов, ответвления сигналов, фильтрации и других целей. С их помощью система передачи конфигурируется нужным образом для условий конкретного проекта. В главе, посвященной пассивному оборудованию, уже были рассмотрены некоторые из оптических устройств. В этой статье рассмотрена классификация и устройство активного оборудования оптических систем. Заранее скажем, что активное оптическое оборудование в большинстве случаев нельзя сопоставлять по характеристикам с активным оборудованием коаксиальных систем передачи, так как эти два типа оборудования предназначены для разных архитектурных уровней системы КТВ, т.е. имеют разные области применения. Оптическое оборудование предназначено для транспортного и магистрального уровней, а коаксиальное — для магистрального и домового уровней.

К активному оборудованию оптических систем передачи относятся оптические передатчики, оптические приемники, оптические усилители (репитеры) и активные ответвители. Рабочая длина волны активного оборудования должна соответствовать длине волны используемого волокна. При этом нельзя забывать о том, что, ширина полосы зависит от протяженности линии передачи. В настоящее время в активном оборудовании используются все три длины волны: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм. Оборудование на 850 нм по-прежнему широко используется из-за низкой стоимости излучателей этой длины волны. Одномо-довое оборудование на 1550 нм предназначено для протяженных линий высокого качества передачи длиной более 50 км. Волна 1310 нм является промежуточным по цене и качеству вариантом и, поэтому, наиболее популярным. По всем характеристикам лучшим решением является использование одномодо-вых волокон и, следовательно, одномодового активного оборудования, хотя многие модели многомодового активного оборудования совместимы с обоими типами волокна. Стоимость одномодового волокна может быть гораздо выше.

Одна из существенных особенностей оптической системы заключается в возможности передачи сигнала на очень большое, по сравнению с коаксиальной системой, расстояние без усиления. Таким образом, в классической схеме оптической системы должен присутствовать только источник оптического излучения, оптический канал передачи и детектор оптического излучения. Однако, оптическая система не используется обособлено. На ее вход подается электрический сигнал головной станции, а к ее выходу, как правило, подключается коаксиальная система передачи. Поэтому источник является преобразователем электрической энергии в оптическую, а детектор является преобразователем оптической энергии в электрическую. Таким образом, оптический источник является своеобразным модулятором, переносящим электрический сигнал на несущую частоту оптического диапазона для передачи по волокну, а оптический детектор — демодулятором, выполняющий обратное преобразование частоты. Такой принцип используется в аналоговых оптических системах. В цифровых оптических системах, кроме этого, сигнал перед подачей на модулятор кодируется определенным методом для представления сигнала в виде последовательности импульсов, а на приемной стороне, соответственно, декодируется. Комбинация оптического источника с различными электрическими устройствами усиления и преобразования сигнала называется оптическим передатчиком, а комбинация оптического детектора с аналогичными электрическими устройствами на приеме называется оптическим приемником. В качестве источника и детектора оптического излучения используются различные полупроводниковые приборы, а оптический канал организуется с помощью одномодового или многомодового оптического волокна.

Оптический передатчик является одним из элементов центральной головной станции, а оптический приемник является основным элементом узловой (подголовной) станции. Оптические приемники монтируются в специально оборудованных помещениях и также снабжаются питанием, как и обычные высокочастотные усилители. Жесткое ограничение на количество широкополосных усилителей в каскаде распределительной сети (не более трех) объясняется требованиями к суммарным искажениям на выходе распределительной сети при условии включения достаточно большого числа усилителей в магистральном каскаде. В системах с оптической магистралью ситуация становится проще. Если магистральная сеть проектируется на основе оптического волокна, то распределительные усилители могут обеспечивать высокое усиление и распределительная сеть в целом может обслуживать более широкую зону покрытия благодаря тому, что количество источников шума и интермодуляции в системе мало (один оптический передатчик, один оптический приемник и три распределительных усилителя). Поскольку количество приборов мало, вклад каждого из них в общий шум и интермодуляцию может быть чуть большим.

Оптический усилитель, согласно определению стандарта EN 50083, это прибор для направленного усиления оптических сигналов. Он состоит из соединителей и активной среды, которая усиливает оптический сигнал без демодуляции. Оптические усилители первого поколения были основаны на преобразовании света в электрический сигнал, усилении его в электрическом виде и обратном преобразовании в свет. Каждая из этих трех операций вносит свою долю шума и искажений, что резко снижало качество передачи. Появление оптических усилителей на основе легированных эрбием световодов, коэффициент усиления которых может достигать 30 дБ, открыло новые возможности для построения систем оптической связи. Однако, усилители в оптических линиях кабельного телевидения используются редко, поскольку в этом, как правило, нет необходимости. Современные оптические волокна обладают высочайшим качеством передачи, например, одномодовое волокно с рабочей длиной волны 1550 нм позволяет передать сигнал на расстояние более 50 км. Для создания транспортной или магистральной линии передачи сети КТВ этого более чем достаточно. Действительная потребность в оптическом усилении возникает на транспортных линиях глобальных телекоммуникационных сетей, протяженность которых достигает сотен и тысяч километров. Примерами являются трансатлантическая линия ТАТ-8 (США — Европа), тихоокеанская линия ТРС-3 (США — Гавайские острова — Япония), глобальное оптическое кольцо Япония -Сингапур — Индия — Саудовская Аравия — Египет — Италия.

Системы передачи, в которых сигнал передается как по оптическому волокну, так и по коаксиальному кабелю с усилением, называются гибридными. Общие термины, используемые в тех и других сегментах гибридной системы для определения шума и интермодуляции, позволяют методом комбинирования находить показатели качества передачи во всей системе. Большинство систем кабельного телевидения, в настоящее время являются широкополосными. Поскольку оптические системы как высокочастотные коаксиальные системы, могут использовать и цифровую модуляцию, и аналоговую, можно постепенно включать оптические звенья в существующую коаксиальную систему кабельного телевидения для увеличения ее полосы пропускания. В действительности эволюция кабельных систем в сторону гибридных систем, включающих оптические и электрические звенья, кажется довольно естественным продолжением развития систем аналоговой передачи. В случае аналоговой передачи будем проектировать оптическую систему почти тем же образом, что и обычную коаксиальную широкополосную систему. Необходимо рассчитать эффективную ширину полосы оптической системы передачи так, чтобы она была совместима с любым коаксиальным расширением. При этом нужно учитывать линейность характеристик активных приборов, так как это напрямую связано с величиной вносимых этими приборами интермодуляционных искажений. Кроме того, мы, как и раньше, должны учитывать все прочие шумы, которые обычно вносятся терминальным оборудованием.

Оптическое оборудование устанавливается в тех точках гибридной системы, где заканчивается или начинается передача оптического сигнала. Такие точки являются либо окончаниями собственно оптической системы передачи, либо промежуточными точками, находящимися на стыках с коаксиальными звеньями передачи, где требуется переход от оптического сигнала к электрическому. В состав терминального активного оборудования входят устройства двух категорий: электрооптические и чисто электронные. К электрооптическим относятся те приборы, на вход которых подается электрический сигнал, а с выхода снимается оптический сигнал, а также те приборы, на вход которых подается оптический сигнал, а с выхода снимается электрический сигнал. Электрооптическими приборами, используемыми в оптической системе передачи, являются лазерные или светоизлучающие диоды и фотодетекторы различных видов. К электронным компонентам терминального активного оборудования относятся те приборы, которые работают только с электрическим сигналом, например, радиочастотные широкополосные усилители. Обычно в одном блоке обеспечиваются функции обоих компонентов.

Задача проектирования гибридной системы и, в частности, оптической линии решается также в терминах потерь и уровней передачи. При этом стоит обращать внимание не только на качество волокна, но и на качественные характеристики активного оборудования. Оптимальные показатели эффективности детектирования при большой скорости цифрового потока или при большой протяженности системы имеют диоды APD, которые наиболее чувствительны к слабому входному оптическому сигналу. Высокая стоимость и сложность этих приборов может быть в значительной мере компенсирована отсутствием необходимости в дорогих промежуточных оптических репитеры. Однако, на тех расстояниях передачи, которые обычно встречаются в распределительных системах кабельного телевидения, репитеры вообще редко бывают необходимы, а особенности их характеристик не позволяют сделать однозначный вывод о том, что использование этих приборов является удачным решением в любом случае. В случае невысокой скорости передачи, примерно до 50 Мбит/с, даже при использовании мно-гомодового волокна, обладающего значительной модовой дисперсией система передачи не будет иметь строгих ограничений по ширине полосы, пока длина волокна не превысит примерно 40 км. В таком случае значения времени нарастания оптического источника и детектора становятся несущественными. Система со светоизлучающим диодом в качестве источника и pin-диодом в качестве детектора в этих условиях функционирует вполне удовлетворительно. При повышении скорости передачи в первую очередь возникают ограничения по затуханию сигнала. Если установлена длина соединительного волоконно-оптического кабеля или потери в нем, то способом борьбы с потерями остается обеспечение адекватного светового потока от источника в направлении приемника, а также использование более чувствительного детектора на APD. Также можно выбрать волокно с меньшими потерями или с другой рабочей длиной волны или рассмотреть в качестве альтернативного варианта комбинацию лазерного источника и PIN-диода вместо LED-источника и APD-диода.

Стоит сказать несколько слов о тех технологиях, которые применяются в волоконно-оптических линиях передачи. Хотя в оптических линиях применяются и аналоговые, и цифровые технологии передачи, главным образом, они ориентированы на цифровую передачу сигнала, поскольку это позволяет использовать все преимущества оптического волокна как среды передачи и значительно повысить скорость и качество передачи. При аналоговой передаче применяется стандартная процедура частотного мультиплексирования каналов, доставшаяся в наследство от коаксиальных магистралей. При цифровой передаче в разное время применялось три способа. Первый, появившийся в начале 80-х годов, был основан на временном мультиплексировании по технологии PDH (плезиохронной цифровой иерархии). Этот способ применялся в первых цифровых магистралях, которые были тогда коаксиальными, а сейчас применяется все реже. Второй способ цифровой передачи, также основанный на временном мультиплексировании, использует технологию SDH (синхронной цифровой иерархии). Этот способ получил распространение в начале 90-х годов и широко применяется по сей день. Третьей технологией передачи по оптическому волокну является наиболее новая и перспективная технология волнового мультиплексирования WDM. Пока она распространена недостаточно широко, возможно, в силу сложности оборудования. Различные сетевые службы используют интерфейс физического уровня модели OSI, предоставляемой им транспортной технологией TDM или WDM.

Характеристики оптического оборудования

Опубликовано 10.03.2017

К характеристикам оптической системы относятся затухание сигнала в оптическом волокне, полоса пропускания волокна и активного оборудования, бюджет активного оборудования (динамический диапазон), уровень оптической мощности на входах и выходах активного оборудования, ширина полосы и рабочая длина волны, величина искажений, возникающих вследствие дисперсии в волокне и нелинейных эффектов в активном оборудовании. Рассмотрим подробнее некоторые, наиболее важные характеристики активного оптического оборудования.

Подробнее

Центральная длина волны и спектральная полоса источника

Центральной длиной волны называется среднее значение длины волны, при котором достигается амплитуда источника света или относительно которого наблюдается снижение максимальной амплитуды до половинного значения. Спектральной шириной полосы называется разница в длинах волн, при которой достигается амплитуда источника света или между которыми наблюдается снижение максимальной амплитуды до половинного значения. Эти величины выражаются в нм. Обе величины измеряются для передатчика как в отсутствии модуляции, так и в режиме модуляции. Если измеряется цифровой передатчик, то он должен быть модулирован псевдослучайной битовой последовательностью (PRBS) длиной не менее 215 символов с точно определенной частотой повторения импульсов, шириной импульса и заданным коэффициентом затухания. Аналоговые передатчики должны быть модулированными, по крайней мере, одной несущей при фиксированном оптическом индексе модуляции. Используя оптический анализатор спектра, измеряют уровень мощности, соответствующий наибольшему значению спектральной мощности. Центральная длина волны вычисляется как среднее арифметическое крайних длин волн полосы, а спектральная ширина вычисляется как разность этих длин волн. Измеряют также неравномерность характеристики оптического передатчика и приемника в спектральной полосе в дБ.

Линейная полоса и частотное смещение одномодовых источников

Линейной полосой называется спектральная ширина полосы отдельной моды лазера. Она определяется как разница между теми ближайшими частотами, на которых наблюдается снижение максимальной амплитуды спектра источника до половинного значения. Частотное смещение вызвано частотной модуляцией интенсивности лазерного диода. Частотное смещение эффективно расширяет спектральную полосу частот лазера. Благодаря дисперсии волокна составляющие спектрального потока на различных скоростях способствуют образованию гармонического искажения передаваемого сигнала. Линейная полоса выражается в МГц/мА.

Полоса пропускания и время нарастания

Ширина полосы, как отдельного блока оборудования, так и системы передачи в целом, измеряется в герцах по уровню половинной мощности аналогового сигнала, т.е. по уровню, который на 3 дБ ниже максимального. Это значит, что в полосе пропускания данного блока или системы ни один сигнал не затухает сильнее, чем на 3 дБ по сравнению с сигналом наибольшей амплитуды, затухание которого минимально. Полоса активного оборудования определяется отдельно от волокна по параметру, называемому временем нарастания (rise time). Время нарастания определяется как время, необходимое для увеличения мгновенного значения амплитуды импульса от 10 до 90 процентов пикового значения амплитуды, и характеризует быстродействие активного оборудования. Следовательно, пропускная способность (или полоса пропускания) активного оборудования может быть определена по его амплитудно-частотной характеристике по уровню 3 дБ, либо рассчитана через время нарастания.

Измерение ширины полосы оптического волокна имеет свои особенности. Дело в том, что в общем случае полоса передачи, предоставляемая оптическим волокном, зависит от его длины, поскольку изменение длины волокна изменяет его оптические свойства, а также от уширения импульса. Уширение импульса происходит в волокне вследствие дисперсии. Величины уширения импульса и полосы пропускания оптического волокна связаны однозначной зависимостью — полоса пропускания является величиной, обратной уширению. Полосу пропускания волокна можно определить через параметр, называемый широко-полосностью, который показывает, какую ширину полосы имеет волокно длиной в 1 км (измеряется в МГц-км). Очевидно, чем больше расстояние передачи (длина волокна), тем меньше будет доступная для передачи полоса. В одномодовом волокне ширина полосы является линейной функцией от длины волокна. Например, одномодовое волокно, для которого широкополосность определена значением 250 МГц-км, при длине 5 км будет обеспечивать для передачи сигнала полосу, ширина которой составляет 50 МГц:

f = 250/5 = 50 МГц.

И наоборот, если хотим передать сигнал, полоса которого составляет 50 МГц, на расстояние 5 км, то должны взять волокно с параметром широкополосное 250 МГц-км:

f= 50-5 = 250 МГц-км.

В многомодовом волокне полоса передачи зависит от длины волокна нелинейно из-за дисперсии. Когда в волокне распространяется несколько мод, каждая из них ведет себя как относительно независимый канал передачи из-за статистической природы механизма многомодового распространения. Поэтому, полоса передачи определяется тем, насколько различаются времена распространения отдельных мод. Так, например, эффективная длина многомодового волокна длиной 5 км при полосе сигнала 50 МГц составляет 3,62 км. Эффективная длина волокна всегда меньше его действительной длины и, поэтому, для передачи сигнала с полосой 50 МГц на расстояние 5 км широкополосность волокна должна быть больше, чем 250 МГц-км.

Понятие уширения удобно использовать в цифровых системах для оценки искажений выходного импульсного сигнала. Если характеристики элементов системы даны в терминах уширения и времени нарастания At, можно вычислить общее уширение всей системы как среднеквадратическое значение отдельных ее элементов (квадратный корень из суммы квадратов времени нарастания передатчика, уширения импульса в волокне и времени нарастания приемника). Однако характеристики некоторых элементов системы производители определяют только в терминах полосы пропускания, не приводя значения времени нарастания и уширения импульса. Это гораздо удобнее с точки зрения проектирования оптической линии. В этом смысле оптическая система не отличается от обычной коаксиальной, где полосы пропускания всех элементов, включая усилители, ответвители и делители, должны удовлетворять требованиям к полосе системы в целом. Активное оборудование должно иметь ширину полосы, большую полосы пропускания волокна или, иначе говоря, время нарастания должно быть меньше уширения импульса на величину технологического запаса.

Оптическая мощность

На измерении оптической мощности базируются измерения следующих параметров оптической системы передачи:

потери волокна, соединителей, мультиплексоров и оптических изоляторов;
усиление оптических усилителей;
направленность оптических разветвителей;
развязка оптических изоляторов, мультиплексеров и оптических ответвителей.

Оптическая мощность измеряется в дБм.

Оптический коэффициент возвратных потерь

Для оптических систем также определяется коэффициент возвратных потерь. Отражение передаваемого света имеет место на границе двух различных диэлектрических материалов. Оптический коэффициент возвратных потерь -это коэффициент отражения, который является отношением падающей оптической мощности к отраженной оптической мощности, выраженным в дБ. Коэффициент возвратных потерь измеряется для всего оптического оборудования, а не только активного. Метод измерения описан в стандарте EN-50083. Если испытуемый прибор имеет более одного порта, то все другие порты, не задействованные в измерении, должны быть соединены с согласованными нагрузками, имеющими очень низкий коэффициент отражения.

Поляризация и поляризационная стабильность источника

Поляризация определяется как проекция электрического вектора на плоскость, перпендикулярную направлению распространения поляризационной световой волны. Поляризационная стабильность должна выражаться как логарифмическое отношение в дБ максимальной амплитуды к минимальной амплитуде на выходе прибора, когда поляризация на входе изменяется между 0 и 360 градусами.

Когерентное время и когерентная длина

Когерентным временем является время, которое необходимо свету для прохождения когерентной длины. Когерентное время находится как величина, обратная линейной полосе. Обе величины используются для определения фазовой стабильности источника света.

Выходная мощность насыщения оптического усилителя

Эта величина находится через измерение усредненной выходной оптической мощности тестового волокна, удаленный конец которого подключается к выходной оптической части насыщенного оптического усилителя. Выходная оптическая мощность насыщения выражается в дБм. При низких уровни выходной мощности наблюдается лучшая линейность характеристики, следовательно, при увеличении выходного уровня необходимо будет понизить усиление. Насыщенной выходной мощностью считается выходная мощность, которая ниже экстраполированной линейной величины на 3 дБ.

Чувствительность оптического приемника по напряжению

Это отношение приращения выходного напряжения к соответствующему приращению оптической мощности. Чувствительность по напряжению выражается в В/Вт.

Дальность действия

Современные источники излучения, в качестве которых используются оптические квантовые генераторы, позволяют получить узконаправленное и когерентное световое излучение, затухание которого в волокне, обеспечивающем высокую направленность луча, весьма мало. Кроме возможности передачи света на очень большие расстояния без усиления это позволяет детектировать световой сигнал в точке приема с меньшим количеством ошибок. Затухание и дисперсия сигнала в волокне определяет возможную дальность передачи. Таким образом, дальность действия приемопередающих устройств зависит от качества волокна, используемого в линии связи. Обычно те значения дальности передачи, которые приводят производители в спецификации своих оптических передатчиков, не учитывают характеристики различных типов волокна, а рассчитаны для волокна наивысшего качества. Бюджет активного оборудования должен превышать затухание в волокне на некоторую величину технологического запаса.