Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи

Проектирование устройства полупроводникового усилителя оптического сигнала ВОЛС, работающего на длине волны нулевой хроматической дисперсии кварцевых волокон – 1,3 мкм. Энергетический расчет, особенности конструирования узла оптического усилителя.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Обзор работ по решаемой проблеме и постановка задачи проектирования оптического усилителя сигнала ВОЛС
2.1 Анализ ограничения параметров ВОЛС
3.3 Конструирование устройства, расчет его надежности
3.3.1 Конструирование узла оптического усилителя
3.3.2 Проектирование электрической схемы
4.2 Способы создания полупроводниковых оптических усилителей
5.1 Анализ опасных и вредных факторов при эксплуатации ВОЛС.
5.2 Разработка мер безопасности при эксплуатации ВОЛС
5.3. Экологическая оценка ВОЛС и разработка мер по охране природы
6.1 Актуальность темы и постановка исследования
6.2. Расчет экономических затрат на тему
6.3 Определение технико-экономических показателей работы
Приложение А. Спецификация и графический материал проекта
Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю хорошо известны [1, 2]:
- широкая полоса пропускания, позволяющая передавать большие объемы информации;
- возможность получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;
- оптический кабель не подвергается электромагнитным воздействиям;
- малый диаметр и масса, его невысокая стоимость;
Значительно увеличить длину линии можно путем введения специальных устройств, называемых ретрансляторами (регенераторами) сигнала. Первые ретрансляторы создавались в традиционной форме: на основе приёмо-передающих модулей, содержащих лазерный диод, фотоприемник, оптическую и электрическую подсистемы.
Ввиду преобразования оптического сигнала в электрический, с последующим усилением, а затем преобразовании его с помощью излучателя обратно в оптический поток, подобные устройства имеют ряд недостатков.
В числе этих недостатков достаточно большую стоимость и габариты. Поэтому продолжаются поиски принципиально новых технических решений, обеспечивающих непосредственное усиление оптического сигнала без промежуточного преобразования его в электрическую форму.
Цель проекта - увеличить расстояние, на которое передается оптический сигнал. Для этого предварительно необходимо было изучить возможности усиления оптического сигнала, передаваемого через ВОЛС, с применением полупроводниковых регенераторов.
Полупроводниковые усилители оптического сигнала строятся на принципах усиления мощности поступающего на них излучения за счет механизмов, похожих на те, которые происходят в инжекционных лазерах на основе полупроводниковых гетероструктур. В этом направлении достигнуты определенные успехи, в том числе и отечественной промышленностью. Например, НПП «Инжект» распространило каталог, в котором предлагается полупроводниковый оптический квантовый усилитель марки «ОА-1300», усиливающий оптический сигнал на длине волны 1.3 мкм. Важно, что данные устройства действуют в этом практически важном диапазоне с нулевой хроматической дисперсией, где не действуют активные волокна. Новизна проекта состоит в разработке ВОЛС с усилением оптического сигнала в спектральном диапазоне 1.3 мкм, характеризуемым нулевой дисперсией, где использование других видов оптического усиления проблематично. Это позволяет передавать сигналы на дальние расстояния с повышенной скоростью передачи информации, проектировании высокоскоростной волоконно-оптической линии связи с усилением оптического сигнала, увеличивающим ее протяженность до 300 км при сохранении высокой скорости передачи данных - 1,25 Гбит/с по одному оптическому каналу. Практическая значимость проектируемого устройства заключается в возможности её использования для межгородской и межгосударственной связи, в том числе, в качестве магистральной подводной линии (при соответствующем проектировании кабеля).
1. Обзор работ по решаемой проблеме и постановка задачи проектирования оптического усилителя сигнала ВОЛС
В последние два десятилетия происходит интенсивное развитие информационных технологий, в том числе новых методов и средств телекоммуникаций. Оптическая связь бурно развивается со времени изобретения в 1960 году А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и Ч. Таунсом квантового генератора излучения - лазера [2].
Лазерные структуры, предварительно предназначенные для передачи оптического сигнала от источника сообщения, позднее стали использоваться и в качестве оптических промежуточных усилителей сигнала, о чем повествуют монографии [1] и [2].
Действие типичных излучателей ВОЛС - лазеров, основано на квантовых явлениях. Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Прежде всего, различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее “запрещены”, т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не совсем буквально).
В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера -- в рубиновом лазере.
В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень и состояние . Переход с уровня на основной , строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях это -- длительное время. Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию свойства накопителя энергии.
Если стержневой рубиновый кристалл с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего, в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня переносятся в энергетическую зону (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону , но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден. Более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии нас е ленностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень , первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.
С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния в состояние и при этом отдает энергию излучения -- сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневой кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий и , это соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.
Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением . Индуцированное колебание согласуется по частоте и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об “усилении света индуцированной эмиссией излучения”. Отсюда произошло слово LASER: l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation.
Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного оптического изл у чения .
В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-алюминиевый гранат с примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 -- 810 нм, основной лазерный переход -- на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)
Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потерями.
Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить газовый лазер. Один из наиболее известных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы прежде всего, перевести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы неона создают при описанном синхронизированном обратном переходе в основное состояние, индуцированное излучение.
Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отличается от активного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем -- оптически точно выверенная -- вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере, одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор (окно Брюстера).
Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение света различных длин волн. Так, лазер на He-Ne может принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотно селективной пленки на зеркало.
Газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которая оказывается полезной во многих случаях.
Однако для волоконно-оптической связи гораздо важнее когерентности для высокоскоростной передачи информации оказалась простота м о дуляции мощности излучения, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.
Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес для техники связи.
Кроме названных проблем, существенными недостатками газового лазера являются его размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем более, если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы, которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за редким исключением исчезли и представляют только исторический интерес.
Полупроводниковые приборы господствуют в широкой области электроники, они не требуют высоких рабочих напряжений, компактны и недороги.
Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а непосредственно электрической. Рекомбинация инжектируемых через прямосмещенный p - n - переход пар электрон-дырка в обедненном i - слое лазерной p - i - n - структуры генерирует кванты излучения. Часть излучения выходит из структуры и может быть собрана и направлена в оптоволокно.
В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом лазере крепление зеркал при его габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий коэффициент преломления полупроводников, позволяет реализовать функцию отражения от границ раздела оптических сред. Если сколоть кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности скола работают аналогично отражателям оптического резонатора типа Фабри-Перо, за счет отражения Френеля
Из сказанного ранее следует, для излучения полупроводниковой структуры необходима инжекция. Для ее осуществления к p-n- переходу прикладывается прямое напряжение в направлении проводимости (прямом направлении). Это вызывает инжекционный ток, и, путем нарушения динамического равновесия носителей зарядов (электронов и дырок) -- инверсию населенностей энергетических зон в области р-n перехода.
Типовая характеристика типичного лазерного диода приведена на рисунке 1.1. При достижении током порогового значения, зависящего от конкретного диода (на рисунке 1.1, I п = 75 мA) начинаются процессы когерентного излучения, при этом мощность излучения резко возрастает.
Рисунок 1.1. - Типовая ватт-амперная характеристика лазерного диода [2].
Если повышать ток через переход, то при его пороговом значении будет достигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение. Это означает, что выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен.
При меньших токах наблюдается медленный рост оптической мощности при увеличении тока накачки, а излучение не когерентно. Эта область относится к светодиодному излучению.
Значения порогового тока большинства лазерных диодов лежат в интервале 30…250 мA для большинства диодов. Напряжение прямого смещения составляет 1,2…2 В при пороговом токе [3].
Если подавать в лазерную структуру дополнительную оптическую энергию, порог его генерации сдвинется в сторону меньших инжекционных токов. Это показано рисунком 1.2.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 1.2 - Зависимость Ватт - амперной характеристики лазерного диода от введенной мощности оптического сигнала (Ф 1 > Ф 2 > Ф 3 > Ф 4 ) [2].
В результате, при поступлении на лазерный диод подсветки из волокна его выходная характеристика сдвигается - пороговый ток становиться меньше. Данное явление используется в полупроводниковых оптических усилителях сигналов ВОЛС.
Лазерные диоды обычно имеют ширину спектральной линии 1…5 нм, что значительно меньше, чем ширина спектра излучения светодиодов. Ширина спектра ЛД больше, чем у газовых лазеров, потому что излучательные переходы в полупроводнике происходят между энергетическими зонами, а переходы в газовых лазерах - между энергетическими линиями. Это явление приводит к ширине спектра намного большей, нежели обусловленной эффектом Доплера в газах.
Когда ток накачки только немного превышает порог, лазерный диод имеет многомодовый спектр. При увеличении тока происходит уменьшение ширины спектра и числа продольных мод. При достаточно большом токе спектр будет содержать только одну моду. Ширина линии при этом становится заметно уже, примерно 0,2 нм, чем у многомодового лазера. Диод с одной продольной модой минимизировал бы материальную дисперсию в волокне вследствие узкой спектральной линии.
Шум лазера - это нежелательные случайные колебания уровня выходного излучении лазерного диода, которые происходят даже, когда ток накачки постоянен. Это явление сильно выражено у некачественных лазеров, но в разной мере присутствует во всех. Шум лазера достигает максимума при модуляции диода на собственной резонансной частоте лазера (обычно несколько ГГц). По этой причине, шум лазера сильнее проявляется в высокочастотных линиях связи, чем в низкочастотных. Хорошо выполненные лазерные диоды вносят малые шумы в суммарный шум системы.
В некоторых лазерах шум достигает пика при пороге генерации. Когда ток накачки превышает порог, шум лазера остается постоянным, в то время как выходная мощность быстро растет. Таким образом, относительное уменьшение шума наблюдается при превышении уровня тока накачки порога лазерной генерации.
Современная элементная база ВОЛС построена на интегральных модулях приемников и источников излучения. Вид модуля передатчика ВОЛС, содержащего лазерный диод и интегральную электрическую схему, показан на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Передающий модуль ВОЛС [4].
На рисунке 1.4 показан типичный внешний вид фотоприемного модуля. Герметичный стандартный корпус типа «Баттерфляй» соединен с одноходовым оптическим волокном, содержащим оптический разъем. Выход электрического сигнала осуществляется через высокочастотный разъем типа SMA с волновым сопротивлением 50 Ом.
Рисунок 1.4 - Фотоприемный модуль с корпусом типа «Баттерфляй» [4].
Данный фотоприемный модуль с одномодовым оптическим входом, изготовлен на основе кремниевого фотодиода p - i - n - типа, предназначен для использования в волоконно-оптической технике широкого применения: линиях связи, измерительных приборах и др. - в качестве преобразователя оптического сигнала в электрическую форму.
2.1 Анализ ограничения параметров ВОЛС
Основными параметрами ВОЛС являются дальность и предельная скорость передачи цифровых данных.
Дальность передачи данных ограничивается затуханием оптического сигнала в линии передачи. Затухание сигнала в линейном тракте является важным фактором при разработке любой системы связи. Все приемные устройства требуют, чтобы поступающая на их вход мощность, была выше некоторого минимального уровня, так что потери среды распространения ограничивают общую длину линии передачи. Имеются определенные точки в оптической системе, где вносятся потери. Они возникают при вводе излучения в волокно, непосредственно в самом волокне и в соединениях (неразъемных и разъемных). Рассмотрим причины потерь в оптическом волокне. Большинство волоконно-оптических систем не выходят из интервала длин волн 0,5…1,6 мкм. Для этой области длин волн существуют волокна с малыми потерями, эффективные источники излучения и детекторы. Оптические волокна создаются из стекол. Большинство стекол состоит из молекул расплавленного стекла (двуокись кремния - Si O 2 ) [5]. Стекло является неоднородным по составу - это смесь молекул SiO 2 , которые имеют изменения в пространственной ориентации молекул в различных точках материала. Это принципиально отлично от структуры кристаллов, в которых составляющие их атомы занимают фиксированные положения в пространстве, и эта структура периодически повторяется. Чтобы изменить значение показателя преломления, в стекло добавляют другие материалы. Обычно легирование выполняют германием, титаном, таллием, бором или другими химическими элементами. Основой является стекло с высоким содержанием двуокиси кремния, из которого может быть сформировано волокно с малыми потерями, если достигнута высокая химическая чистота.
Потери в стеклянных волокнах возникают вследствие поглощения, рассеяния и геометрических дефектов.
Для численной характеристики потерь оптической энергии рассматривается показатель затухания б:
Р вх - мощность сигнала на входе линии связи;
Р вых - мощность сигнала на выходе линии связи.
Рассмотрим потери вследствие поглощения. Даже самое чистое стекло поглощает свет внутри определенных областей спектра. Это собственное поглощение является естественным свойством стекол. Очень сильное собственное поглощение происходит в ультрафиолетовой части (на коротких длинах волны). Поглощение возникает вследствие сильных электронных и молекулярных переходов. Эти потери уменьшаются с приближением к видимой области спектра. Ультрафиолетовое поглощение отстоит далеко от области, где эксплуатируются волоконные системы, так что его вклад незначителен. Пики собственного поглощения также имеются в инфракрасной области спектра. Для типичных составов стекол пики поглощения, расположенные между 7 мкм и 12 мкм, далеки от области, в которой работают волоконные системы.
Инфракрасные потери связаны с колебаниями химических связей типа соединений кремния с кислородом. Тепловое возбуждение заставляет атомы постоянно перемещаться так, что химические связи SiO непрерывно расширяются и сжимаются. Эти колебания имеют резонансную частоту в инфракрасной области спектра. Как видно из рисунка 2.1, коротковолновая граница этого механизма поглощения простирается вниз по спектру, приближаясь к области, где функционируют волоконные системы.
Рисунок 2.1 - Спектральная характеристика затухания оптического волокна [5].
Инфракрасное поглощение вносит небольшие потери за окном прозрачности 1,6 мкм, используемом для волоконной связи. Фактически эти потери исключают использование стеклянных волокон на более длинных волнах.
Итак, собственные потери обычно невелики в широкой спектральной области, где работают волоконные системы, но эти потери делают невозможным использование волоконных систем, как в ультрафиолетовом, так и более длинноволновом инфракрасном участке спектра.
В некоторых случаях сигнал, достигающий приемного устройства, слишком слаб для качественного приема, хотя форма принятого сигнала удовлетворительна. Когда затухание в волокне является основной проблемой, то говорят, что система ограничена по мощности.
В волоконных линиях связи имеют место также ограничения на дальность передачи по допустимым искажениям формы импульсов.
Для некоторых трактов мощность сигнала на приеме достаточна, но искажения формы сигнала препятствуют безошибочному восстановлению передаваемого сообщения. Говорят, что такие системы ограничены шириной полосы пропускания.
Оптические волокна подразделяются на одномодовые и многомодовые.
Волновая мода описывает форму движения электромагнитной волны в волноводе. При фиксированной частоте, фазе и поляризации, таких форм движения внутри замкнутого пространства волновода может быть несколько, если волновод достаточно широкий по сравнению с длиной волны. Если волновод узкий (менее 10 мкм), через него распространяется всего одна волновая мода.
В наиболее общем случае - в многомодовом оптическом волокне, сигналы искажаются за счет многомодового уширения импульсов, и, кроме того, вследствие хроматической дисперсии.
Расхождение времени прохождения пути разными модами возникает вследствие нескольких причин: перемешивания мод и преимущественного затухания высших мод.
Перемешивание мод обусловлено обменом мощности между модами в процессе их распространения. Траектория распространения оптической энергии в волноводе для некоторой моды может отклоняться (на изгибах и в соединителях) и попадать на траекторию другой моды. В результате энергия, переносимая любой из мод, распространяется по зигзагообразной траектории, которая находится между самой короткой (осевая мода) и самой длинной траекторией (критическая мода).
Вторая причина снижения значения уширения импульсов - повышенное затухание мод высших порядков. Эти моды распространяются по волокну в течение большего промежутка времени, чем моды низших порядков, вследствие их зигзагообразных траекторий, и более глубокого проникновения в оболочку. Следовательно, они испытывают большее затухание. Имея меньшие амплитуды, они дают меньший вклад в мощность выходного импульса, чем моды нижних порядков. Взяв производную от выражения (2.1) видим, что все моды переносят одинаковую мощность. Если модами высшего порядка пренебречь вследствие их уменьшенного вклада, то уширение импульса будет меньшее, чем значение, предсказанное уравнением (2.1).
В наиболее общем случае - в многомодовом ступенчатом оптическом волокне, это уширение может быть представлено в виде
где - относительное изменение показателя преломления сердцевины и оболочки волокна со ступенчатым профилем показателя преломления;
Используя типичные значения показателей преломления волновода n 1 = 1,48 и отражающей оболочки n 2 = 1,46, находим
Это большое значение. Для расстояния 100 км это соответствует растяжению фронта импульса
Экспериментально полученные значения уширения импульсов для оптических волокон из кварца дают несколько меньшие значения - 10…50 нс/км [5].
Модовые искажения не зависят от длины волны , и, таким образом, на них не влияет ширина спектра источника излучения. В этом их отличие от материальной и волноводной дисперсии, которые зависят и от длины волны и ширины спектра источника излучения.
Общее (результирующее) уширение импульса вследствие модовых искажений и хроматической дисперсии
где () мод - многомодовое уширение импульса,
() хр - уширение импульса вследствие хроматической дисперсии.
В одномодовых волокнах межмодовая дисперсия отсутствует. Поэтому решающую роль играет хроматическая дисперсия.
Хроматическая дисперсия представляет собой сумму материальной и волноводной дисперсий [5], стр.43:
D (л) = D B ( л ) + D M ( л ) , (2.3)
где D B ( л ) - волноводная дисперсия, вызванной частичным проникновением оптической волны в кварцевую оболочку волокна; волноводная дисперсия зависит от формы профиля показателя преломления волокна.
D M ( л ) - материальная дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления от длины волны.
Спектральная характеристика результирующей хроматической дисперсии приведена на рисунке 2.2. Из этого рисунка видно, что хроматическая дисперсия приближается к нулю в окне прозрачности 1.3 мкм, для которого проектируется наш оптический усилитель.
Рисунок 2.2 - Хроматическая дисперсия оптического волокна [5].
Преимущество одномодовых волокон в их большой информационной емкости, обусловленной отсутствием модового уширения импульсов. Эти волокна следует использовать в длинных, с большой информационной емкостью, линиях.
В длинноволновой части спектра (1300…1600 нм) затухание не велико. Работа в этой области целесообразна для дальней связи.
Близкое к нулю значение хроматической дисперсии наблюдается на длине волны 1,3 мкм, которая рекомендуется для высоко скоростных линий связи.
В данной спектральной области усилители на активных волокнах не работают, поэтому возникает необходимость проектирования оптического усилителя на полупроводниковом лазерном диоде.
Максимальное расстояние между источником и детектором зависит от уровня входной мощности, потерь в разъемах, потерь в волокне, а также чувствительности детектора. Потребность развития линий связи привела к их существенной модернизации по сравнению с первоначальным вариантом, состоящим из передатчика, линии связи и приемника излучения со схемами обработки сигнала.
Для увеличения дальности связи разрабатываются ретрансляторы, называемые также регенераторами. Размещаясь между источником сигнала и его приемником, ретрансляторы решают задачу увеличения ослабевающей при прохождении линии связи оптической мощности сигнала.
Первое поколение ретрансляторов оптического сигнала использовали усиление электрического сигнала, в который предварительно преобразовывался оптический сигнал. Структура такого ретранслятора приведена на рисунке 2.3.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 2.3 - Структурная схема оптико-электронного ретранслятора (аналога).
1, 11 - оптическая линия передачи; 2, 10 - оптические разъемы прибора,
3 - оптика приемника, 4 - фотоприемник, 5 - электронный усилитель,
6 - электронный компаратор, 7 - электронная схема управления излучением лазера, 8 - инжекционный лазер, 9 - оптическая система ввода излучения в волокно.
На первом этапе развития ВОЛС специалисты «...твердо верили, что оптический сигнал не может быть усилен» [1, стр.186]. Затем, после многолетних исследований, появились волоконно-оптические усилители, существенно расширяющие возможности ВОЛС.
Эволюция оптоволоконных систем передачи связана с появлением в 90-х годах оптических усилителей на основе легированных эрбием оптических волокон, приведших, в свою очередь, к разработке нового поколения систем, существенно снизив их цену за счёт замены регенераторов на оптические усилители. Типовая структура оптического усилителя на активных волокнах приведена на рисунке 2.4.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www
Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Площадь Контрольная Работа 8 Класс Атанасян
Структура Сочинения
Дипломная работа: Элементы художественного творчества на уроках развития речи в начальной школе. Скачать бесплатно и без регистрации
Административная Контрольная Работа По Английскому 7 Класс
Дипломная работа: Проблемы адаптации личности в группе
Реферат: Нормативный метод учета затрат 3
Реферат по теме Народный фронт во Франции
Курсовая работа по теме Пластовий рух в міжвоєнний період 1941-45 рр.
Тушение пожаров на хлебных полях и в степях
Реферат по теме Монеты и денежное обращение Древнерусского государства. Возникновение русской денежно-весовой системы.
Контрольная Работа 1 По Химии 11 Класс
Курсовая работа по теме Особенности организации и функционирования детских оздоровительных лагерей Омской области
Реферат по теме Воспитательная проблематика фольклора
Курсовая работа по теме Аксиологическая психология. Акмеология как наука
Сочинение На Тему Какая Речь Называется Правильной
Дипломная работа: Методика використання опорних сигналів під час вивчення "Земельного проектування"
Реферат На Тему Контроль Оптических Характеристик Приборов
Инструментальные Средства Проектирования Информационных Систем Реферат
Культура Кореи Реферат
Дипломная работа по теме Автоматизированное редактирование частиц в компьютерной графике
Сложные предложения с подчинительной связью в английском языке - Иностранные языки и языкознание курсовая работа
Командувач перших формувань Української Повстанської Армії "Поліська Січ" Тарас Бульба-Боровець - История и исторические личности курсовая работа
Журналистика как фактор социального управления - Журналистика, издательское дело и СМИ презентация