Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Приемные оптические модули (ПрОМ). Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованием). Основные характеристики ПрОМ



ПрОМ содержит фотодиод, каскады электрических усилителей, устройства коррекции и обработки цифрового сигнала.

Принцип построения ПрОМ зависит от приемного метода детектирования.

Различают прямое фотодетектирование и детектирование с преобразователем. Выбор метода детектирования определяется принципом модуляции оптического сигнала.

При прямом детектировании оптический сигнал подается непосредственно на фотодиод, в котором электрический сигнал формируется в виде изменяющегося фототока. Так как фотодиоды чувствительны к потоку фотонов и не воспринимают фазу воздействующего оптического излучения, то метод применяется при модуляции интенсивности.

 
 

Рисунок 1 – Обобщенная схема ПрОМ с прямым фотодетектированием

 

Назначение блоков:

ОУ – увеличивает мощность оптического сигнала (оптический усилитель);

ФД – преобразует оптический сигнал в электрический (фотодетектор);

ПУс – малошумящий предварительный электрический усилитель, обеспечивающий максимальное отношение сигнал-шум.

ГУс – главный усилитель, обеспечивающий усиление сигнала до уровня необходимого для нормального функционирования последующих устройств. В качестве усилительных устройств применяются интегрирующие (ИУ) и трансимпедансные электрические усилители (ТИУ). Работой усилителя управляет АРУ.

АРУ – обеспечивает регулировку динамического диапазона путем изменения коэффициента усиления Гус или коэффициента лавинного умножения ЛФД.

К – корректор обеспечивает коррекцию АЧХ линейного тракта, а также устраняет искажения, вносимы входной цепью ПрОМ.

РУ – решающее устройство путем сравнения входного сигнала с пороговым напряжением формирует сигнал логической единицы или нуля.

ВТЧ – выделитель тактовой частоты формирует тактовую стробирующую последовательность для регенерации сигнала и работы демультиплексирующих устройств.

В методе детектирования с преобразованием для определения фазы в принимаемый сигнал замешивают когерентное и стабильное излучение от эталонного источника, которым является опорный оптический генератор (ООГ). В результате смешения когерентных оптических сигналов возникают биения, которые регистрируются фотодиодом и содержат информацию об интенсивности и фазе принимаемого сигнала. Этот метод приема также называют когерентным, так как он применяется при построении когерентных ВОСП. Данные ВОСП разрабатываются как системы сверхдальней связи.



Если λсоог – это гомодинный прием, а λс λоог – гетеродинный прием.


 

 
 

 

 


Рисунок 2 – Обобщенная структурная ПрОМ при детектировании с преобразованием

 

Блоки:

ОУ – Оптический усилитель, увеличивает мощность оптического сигнала.

ОС – оптический смеситель.

ФД – фотодетектор.

ПФ – полосовой фильтр.

ДМ – демодулятор.

ПК – поляризационный контролер.

ООГ – опорный оптический генератор.

АПЧ – автоподстройка частоты.

Принимаемый оптический сигнал и сигнал от ООГ взаимодействует в оптическом смесителе (ОС). Необходимым условием когерентного приема является синхронизация принимаемого сигнала и излучения гетеродина. То есть поляризация этих сигналов должна быть одинакова, а фазы согласованы. Поэтому повышаются требования к компонентам. Лазеры должны быть узкополосными, иметь минимальные флуктации фазы и интенсивности излучения. Лазер-гетеродин должен быть синхронизирован по фазе и частоте с принимаемым оптическим сигналом. Подстройка длинны волны λоог производится подстройка автоподстройка частоты (АПЧ). При гомодинном приеме дополнительно требуется фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). Для контроля поляризации сигнала, если не применяется волокно с сохранением поляризации (PANDA) на приеме устанавливается поляризационный контроллер (ПК).

В результате взаимодействия двух оптических сигналов на выходе ФД выделяется сигнал промежуточной частоты (ПЧ), из которого с помощью демодулятора (ДМ) выделяется электрический информационный сигнал.

 

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой со­бранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетекто­ра ( -фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумя­щего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены прин­ципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением фотоде­тектора к усилителю (схема «прямой линии») и с трансимпедансным усили- телем, в котором осуществляется обратная связь через сопротивление



При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно из­менять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автомати­ческой регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напря­жение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряже­ние рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения - диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля полу­чается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме — аналоговой или циф­ровой— передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов, принимаемых фотодетектором (рис. 8.23).

 

Модуляция излучения источников. Классификация видов модуляции. Принцип прямой модуляции. Типы оптических модуляторов. Принцип действия ЭОМ на основе ячейки Поккельса и интерферометра Маха-Зендера.

Модуляция излучения – это изменение параметров оптической несущей по закону информационного колебания.
В ВОСП используют прямую(непосредственную) и внешнюю модуляцию электромагнитных излучений оптического диапазона.

Прямая (непосредственная) модуляция

Наиболее простым является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду через волновую поверхность площадью один квадратный метр.

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. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность за счет изменения величины силы тока накачки/инжекции, в зависимости от изменений информационного сигнала.



Рисунок 3.1 - Принцип прямой модуляции

 

Если в качестве модулирующего сигнала используется электрический цифровой сигнал, то на выходе источника формируется оптический сигнал с двумя дискретными значениями мощности Pmax и Pmin.

Pmax – соответствует "1" информационного сигнала.

Pmin – соответствует "0" информационного сигнала.\

 
 

При модуляции интенсивности выбирается линейный участок ватт-амперной характеристики излучателя.
Сигнал на выходе источника определяется выражением:
(3.1)
где Ро – постоянная мощность излучения, соответствующая току смещения
m – параметр глубины модуляции
(3.2)
S(t) - модулирующий сигнал.
Рисунок 3.2 – Модуляция цифровым сигналом мощности источника излучения

 

Достижимой является величина параметра глубины модуляции m до 0,9 (90%), однако при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра. В спектре кроме частоты основного сигнала ω, появляется также вторая и третья гармоники с частотами 2ω и 3ω. В спектре после демодуляции кроме 2ω и 3ω, появляется комбинационные продукты, которые полностью перекрывают полезный сигнал, и если амплитуда такой помехи будет соизмерима с амплитудой сигнала, то выделить такой сигнал крайне сложно. Поэтому на искажения введены показатели для оценки нелинейности: затухание нелинейности по второй и третьей гармоникам

(3.3)

 

Внешняя модуляция
Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения при прохождении светового луча через какую-либо среду.

 

Рисунок 3.12 - Принцип внешней модуляции

 

В ряде материалов пропускающих оптические волны, существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим давлением. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили электрооптический и акустооптический эффект.
Акустооптический эффект - это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении акустической волны.

Схема АОМ приведена на рисунке 3.13. При изготовлении акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО2 (диоксид теллура), PbMoO4 (молибдонат свинца), LiNbO3 (ниобат лития).


Рисунок 3.13 – Схема АОМ

 

В результате распространения акустической волны образуются периодические слои изменения показателя преломления, перемещающиеся со скоростью звука. Так как скорость звука намного меньше скорости света, то в первом приближении для задачи дифракции света можно считать слои показателей преломления неподвижными и квазистационарными, то есть за время прохода света они не успевают существенно сместиться.

Из-за сложности конструкции и ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц) АОМ редко используются в ВОСП.

Электрооптический эффект заключается в изменении оптических свойств некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Электрооптическая модуляция может происходить на основе линейного эффекта Поккельса и нелинейного эффекта Керра.

Электрооптический эффект Поккельса заключается в повороте плоскости поляризации световой волны под действием электрического поля. Нелинейный эффект Керра появляется в зависимости показателя преломления материала от напряженности электрического поля. Общим для указанных эффектов является то, что внешние воздействия приводят к изменению симметрии кристалла, следствием чего является изменение его свойств. Оптически изотропные кристаллы становятся анизотропными.

В электро-оптических модуляторах (ЭОМ) на эффекте Поккельса под воздействием модулирующего напряжения в электрооптическом кристалле ниобата лития LiNbO3 возникает искусственная анизотропия, проявляющаяся в двулучепреломлении (рисунок 3.14).
Рисунок 3.14 – ЭОМ на эффекте Поккельса

 

Свет, распространяющийся в среде, показатели преломления которой вдоль двух направлений различны, разделяется на обыкновенную горизонтально поляризованную волну и необыкновенную вертикально поляризованную волну. В результате деформации показателей преломления в различных плоскостях кристалла между этими волнами создается набег фаз, а при интерференции двух волн, наблюдается поворот плоскости поляризации. При максимальном модулирующем напряжении плоскость поляризации поворачивается на 90о и на выходе ЭОМ возникает модулированное излучение

Недостатки ЭОМ на эффекте Поккельса:

1. Требует приложение высоких модулирующих напряжений (160-180 В).

2. Зависимость разности показателей преломления в материале от температуры.

В современных ВОСП чаще используется электрооптический модулятор на интерферометре Маха-Зендера. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов.

Рисунок 3.15 - ЭОМ на интерферометре Маха-Зендера
В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала . При этом в другом канале изменений нет.

в результате интерференции двух волн во втором ответвителе формируется сигнал "1" или нуля.jD. Разность фаз обусловлена зависимостью скорости распространения волн от показателя преломления. В зависимости от jDОптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением. Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы

ЭОМ модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 40 Гбит/с).

 

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!