Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

Таблица 4.4

Сравнительные характеристики настраиваемых лазеров.

Тип лазера

Преимущества Недостатки Применение

С распределен-

ной обратной

связью (DFB)

стабильность излуче-

ния; в процессе

производства

относительно низкая

выходная мощно-

сть

; ограниченный

диапазон настройки

для узкого диапазона

настройки; широко

используется в

длинных секциях

С распределенным

брэгговским отра-

жателем (DBR)

высокая скорость

переключения

большая ширина ли-

нии; нестабильность

длины волны

сети доступа; опти-

ческие мультиплек-

соры ввода-вывода

Типа (DBR) с

выбранными ре-

шетками

широкий диапазон

настройки;

высокая скорость

переключения

низкая выходная

мощность; большая

ширина линии; отсут-

ствие непрерывной

настройки

сети доступа; реги-

ональные сети; оп-

тические мульти-

плексоры

ввода- вывода

С вертикальной

полостью и

излучающей

поверхностью

(VCSEL)

малая ширина

линии при О/Р

;

низкое потребление;

круговой луч;

широкий диапазон

настройки

низкая выходная

мощность при Е/Р

;

ограничен коротко-

волновыми диапазо-

нами 850/1310 нм

региональные сети

и сети доступа

С внешними

резонансными

микрополостями

высокая мощность;

малая ширина линии;

низкий уровень RIN;

непрерывность и

широкий диапазон

настройки

скорость настройки

чувствительна к уда-

рам и вибрациям

длинные и ультра-

длинные секции;

OADM для регио-

нальных сетей; сети

с коммутацией

DFB-лазер с фиксированной длиной волны имеет > 20 мвт выходной

мощности, а настраиваемые DFB-лазеры имеют ограниченную мощность.

Когда не требуется термостабилизация. При использовании

термостабилизации типичное время настройки составляет > 25 мс

О/Р — с оптической накачкой. Е/Р — с электрической накачкой.

VCSEL имеет обычно узкую спектральную линию, но большую мощность на

выходе при О/Р и, наоборот, широкую спектральную линию (~ 150 МГц) и

небольшую мощность на выходе при Е/Р.

Источники. Компания Iolin Inc., San Jose, CA [4.11].

4.8. Модулированные импульсные последовательности

Важным вопросом проектирования цифровой системы является формат

электрического сигнала, подаваемого на источник света. Другими словами,

по целому ряду причин важна та манера, в которой 1 и 0 передаются на моду-

лятор света или на вход лазера, в случае использования непосредственной

модуляции.

Во-первых, усилители для оптоволоконных приемников обычно

связаны по переменному току. В результате этого, каждый световой импульс,

попадающий на детектор, формирует линейный электрический выходной

отклик с хвостом малой амплитуды, но относительно большой длительности.

При большой скорости передачи хвосты от последовательности импульсов

могут иметь тенденцию накапливаться, приводя к возникновению условий,

известных как случайное блуждание базового уровня. Такие хвосты

вызывают межсимвольную интерференцию. Если число импульсов,

соответствующих состояниям «включено» и «выключено», может

сохраняться сбалансированным на период, достаточно короткий по

сравнению с длиной хвоста, то эффект связи по переменному току сведется

просто к появлению постоянного смещения на линейном выходе приемника,

которое может быть скомпенсировано путем подстройки порога

регенератора. Для создания такого баланса можно выбрать соответствующий

формат линейного кода. Этот выбор важен также для синхронных систем с

самосинхронизацией на стороне приемника.

На рис. 4.18 показаны пять широко используемых кодов двоичного

формата. Каждый из них кратко обсуждается ниже.

1. NRZ-код (код БВН — без возвращения к нулю). Это наиболее часто

применяемый формат кода в системах передачи данных. Нужно быть

внимательным к форме сигнала, так как она может быть обратной той, что

используется в стандартах, например, в EIA-232 или в ITU-T V.10 и V.11.

Для волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), двоичная 1 —

активный сигнальный элемент, двоичный 0 - пассивный сигнальный элемент.

В коде NRZ изменение состояния происходит только при переходе из 1 в 0

или из 0 в 1. Строка с двоичными единицами - это непрерывный импульс,

соответствующий состоянию «включено», а строка с двоичными нулями —

это непрерывный импульс, соответствующий состоянию «выключено». В

коде NRZ информация извлекается из факта наличия или отсутствия

перехода в синхронной последовательности, причем сигнальный импульс

полностью занимает предназначенный ему битовый интервал (или двоичную

позицию).

Рис. 4.18. Пять примеров кодов двоичного формата.

2. RZ-код (код ВН — с возвращением к нулю). В этом коде переход

осуществляется для каждого факта передачи бита, независимо от того

передается 1 или 0, как показано на рис. 4.18. В результате ширина импульса

меньше ширины битового интервала, чтобы допустить «возможность

возвращения у нулю». (Заметим, что говоря «возвращение к нулю», мы

имеем в виду сигнал, возвращающийся к уровню 0 вольт. Конечно условие

«ноль вольт» не соответствует в действительности точно нулю вольт. Этот

уровень определяется установкой порогового уровня лазера или СИД, часто

это небольшое положительное напряжение.)

3. Двухполярный NRZ-код (двухполярный код БВН). Этот кодовый

формат похож на формат NRZ, за исключением того, что двоичная 1 имеет

противоположную 0 полярность.

4. Двухполярный RZ-код (двухполярный код ВН). Этот кодовый формат

похож на формат двухполярного NRZ, за исключением того, что для каждого

сигнального элемента (т.е. бита) существуют условия для возвращения к

нулю, и опять ширина импульса всегда меньше ширины битового интервала.

5. Манчестерский код. Этот код используется в ряде ВОСП. В нем

двоичная информация передается переходами в середине импульсного

интервала. По соглашению логический 0 определяется как положительный

переход (переход от 0 к 1), тогда как логическая 1 — как отрицательный

переход (переход от 1 к 0). Сигнал при этом может быть как однополярным,

так и двухполярным.

Выбор формата кода важен при проектировании ВОСП, и при этом су-

ществует немало компромиссных вариантов. Например, формат RZ помогает

избавиться от случайного смещения базового уровня. Для выделения сигнала

синхронизации в синхронных системах связи, манчестерский код и

двухполярный RZ код являются хорошими кандидатами на использование,

благодаря их возможности самосинхронизации. Однако, как видно из рис.

4.18, они требуют вдвое большей полосы пропускания, чем однополярный

формат кода NRZ. Одним из преимуществ манчестерского кодирования здесь

является тот факт, что он может быть однополярным, этот факт хорошо

укладывается в схему непосредственной модуляции по интенсивности ис-

точников СИД и ЛД, а также обеспечивает по крайней мере один переход

внутри единичного интервала (т.е. бита) для самосинхронизации.

Используя формат NRZ, мы можем поддерживать наибольшую

мощность в расчете на бит информации, при условии, что допускается

случайное смещение базового уровня (обсуждение этого факта можно найти

в книге [4.8]). Достижение такой мощности особенно желательно при

использовании в качестве источников СИД. С другой стороны, ЛД-

источники позволяют достигать высокого уровня мощности за короткий

интервал, продляя тем самым работоспособность ЛД и делая формат RZ

более привлекательным. Увеличение срока службы при коротком цикле

может быть хорошим компромиссом для систем с высокими скоростями

модуляции, используемыми в результате требований увеличить ширину

полосы пропускания ВОСП. Как мы видели, системы с кодом RZ требуют

как минимум вдвое большей ширины полосы пропускания канала, чем

системы с кодом NRZ при той же скорости передачи данных. Это вызвано

тем, что системы с кодом RZ используют много больше переходов в единицу

времени при той же самой двоичной последовательности, чем системы с

кодом NRZ.

ГЛАВА 5 ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1. Введение

В этой главе мы опишем конструкцию, работу и характеристики

приемников светового излучения, или, как их обычно называют, детекторов

светового излучения (детекторов света). Источники светового излучения, с

которыми мы работаем, сделали для нас привычными такие параметры, как

выходная мощность в мВт или дБм и полоса частот в Гц. В этой главе язык и

терминология, такая как чувствительность отклика, темновой ток и экви-

валентная шумовая мощность, будут новыми для многих наших читателей.

Детектор света есть не что иное, как счетчик фотонов, преобразующий

энергию падающего света в электрическую энергию. В общем случае в этой

главе мы будем иметь дело с двумя основными типами детекторов света:

PIN-диодами и лавинными фотодиодами (APD). Термин PIN происходит от

сокращенного названия п/п структуры этого устройства, где п/п материал с

собственной (I) проводимостью используется между р-п переходом этого

диода. Прежде чем вернуться к обсуждению детекторов света, дадим ряд

определений тех терминов, которые будут использоваться в этой главе, а

многие - и до конца книги. Ряд терминов взят из физики твердого тела.

5.2. Определения

Фотопроводящий детектор — детектор фотонов (с внутренним

фотоэффектом), демонстрирующий повышенную проводимость при падении

лучистой энергии (он называется также фоторезистором).

Фотогальванический детектор — детектор фотонов с р-п или p-i-n

переходом, преобразующий лучистую энергию непосредственно в

электрическую; он называется также фотодиодом.

Отношение сигнал/шум (D*) — относительная мера

чувствительности, используемая для сравнения детектирующей способности

различных детекторов. D* — отношение сигнал/шум, измеренное на

определенной электрической частоте в полосе 1 Гц, когда лучистая энергия

падает на активную область детектора.

Чувствительность отклика — величина, определяющая выходной

сигнал, падающей на детектор. Эта величина, полученная в области

максимума спектральной характеристики, называется пиковой

чувствительностью отклика. Она является функцией активной области

детектора, длины волны (сигнала излучения) и параметров цепи.

Эквивалентная шумовая мощность (NEP) - количество лучистой

энергии сигнала, падающего на активную область детектора, требуемое для

получения единичного отношения сигнал/шум. Она указывает на

минимальный уровень детектируемого излучения; чем ниже уровень NEP,

тем лучше характеристики детектора.

Удельное сопротивление — сопротивление квадратного

тонкопленочного детектора (длина L и ширина W которого одинаковы). L —

расстояние между электродами, W — длина активной области детектора.

Удельное сопротивление является функцией детекторного элемента и уровня

энергетической освещенности.

СКВ напряжение или ток сигнала — электрический выход

(напряжения или тока), который когерентен с монохроматическим (или

обладающим свойствами излучения абсолютно черного тела) входным

сигналом лучистой энергии. Он является функцией электрической частоты,

мощности, спектральных характеристик, рабочей температуры и других

параметров цепи, таких как сопротивление нагрузки и напряжение смещения.

СКВ напряжение или ток шума — электрический выход (напряжения

или тока), который некогерентен с входным сигналом лучистой энергии,

обычно измеряется в отсутствие сигнала излучения, падающего на

детекторный элемент, и имеет отношение к области детектора. Он является

функцией частотной характеристики, эквивалентной шумовой полосы,

рабочей температуры и других параметров цепи, таких как сопротивление

нагрузки и, в некоторых случаях, телесного угла детектора и фоновой

температуры.

Темповое сопротивление - отношение напряжения постоянного тока

на детекторе к постоянному току через него, при условии, что излучение не

падает на детектор.

Темповой ток — ток, измеренный в цепи детектора в рабочем режиме,

при условии, что излучение не падает на детекторный элемент. Для хорошего

фотодиода темновой ток должен быть < 10 нА [5.1].

Напряжение смешения — напряжение, приложенное к цепи

детектора, обычно напряжение постоянного тока. Иногда это напряжение

называется оптимальным смещением, для тех значений, что дают

оптимальное отношение сигнал/шум, и максимальным смещением, для тех

значений, что дают максимальное напряжение выходному сигналу. Иногда

оно называется обратным смещением, когда оно приложено кр-п переходу

кристалла детектора в обратном направлении, для увеличения скорости или

отклика, или для увеличения отклика в области длинных волн.

Фоновая температура — эффективная температура всех источников

радиации, наблюдаемых детектором, исключая сигнал источника.

Спектральная характеристика — в большинстве случаев она

показана как зависимость вида *( )D



, обычно представлена кривой,

показывающей зависимость уровня сигнала от длины волны падающей

лучистой энергии.

Сопротивление нагрузки — элемент сопротивления, включенный

последовательно с детекторным элементом и напряжением смещения; как

правило согласован с темновым сопротивлением детектора.

Напряжение разомкнутой цепи — напряжение постоянного тока,

генерируемое фотогальваническим детектором, при включении на нагрузку с

высоким импедансом.

Постоянная времени - измерение скорости отклика детектора при

условии, что на детектор подана последовательность прямоугольных

импульсов излучения. Постоянная времени нарастания — время,

необходимое для напряжения сигнала достичь уровня, равного 0,63 от его

асимптотического значения. Постоянная времени спада — время,

необходимое для напряжения сигнала снизится до уровня, равного 0,37 от

его асимптотического значения. Оно может быть измерено путем

определения такой частоты прерывания (светового потока), при которой

уровень сигнала достигнет 0,707 от максимального значения.

Время нарастания и время спада — время (в сек), необходимое

отклику сигнала увеличить амплитуду сигнала от 10 до 90% или уменьшить

ее от 90 до 10% от максимально зафиксированного значения сигнала. Это

происходит тогда, когда на вход детектора подан сигнал лучистой энергии.

Длина волны отсечки — точка со стороны длинных волн, в которой

чувствительность отклика детектора падает до определенной величины (в %)

от пиковой чувствительности отклика (обычно до 20 или 50% пиковой чув-

ствительности отклика).

Все вышеприведенные определения были взяты из издания «1998 New

England Photoconductor» на Web-сайте www.netcorp.ici.net, см. [5.2].

Коэффициент шума (F или f) — f = S/N

/S/N

out

для оцениваемого

устройства, где f — безразмерное число. Коэффициент шума часто дается в

дБ и определяется из формулы F

= 10 log(f).

Квантовый предел — граница того, что предельно достижимо для

определенной линии связи. Обычно устанавливается в терминах

минимального числа фотонов на бит, позволяющего детектору света достичь

заданного уровня ВЕR при использовании определенного формата

модуляции и типа приемника.

Шум Джонсона - тепловой шум, см. [5.1].

Важные постоянные

Джоуль: 1 Дж = 1 Втс, [5.3]

Заряд электрона (q): 1,610

-19

(Кл)

Постоянная Больцмана: 1,3810

-23

(Дж/°К), [5.4], или -228,6 дБВт, или

-198,6 дБм [5.5].

Постоянная Планка: (h) 6,62610

-34

(Джс), [5.3]

Используя постоянную Планка, можно получить следующую формулу,

справедливую для диапазона 1500 нм:

1 мВт = 7,510

фотонов/с,

(из работы [5.6], с. 270, формула (5.1)).

5.3. Необходимые соотношения

Наиболее часто для ВОСП используются PIN-фотодиоды и лавинные

фотодиоды (APD).

Фотодиод может быть рассмотрен как счетчик фотонов. Энергия

фотона Е зависит от частоты и определяется формулой:

E = hv, (5.1)

где h — постоянная Планка (см. выше), a v — частота в Гц. Е — измеряется в

Втс или кВтчас.

Принятая мощность в оптической области может быть измерена путем

подсчета числа фотонов, принятых детектором света в секунду. Мощность в

Вт можно затем получить, умножая это число на энергию фотона из формулы

(5.1). См. также соотношения, данные в конце разд. 5.2 для конвертирования

мВт в фотоны/с.

Квантовая эффективность — эффективность преобразования

оптической мощности в электрическую, выраженная в %, определяется

квантовой эффективностью фотодиода



, которая является мерой среднего

числа электронов, освобожденных каждым падающим фотоном.