Останков А.В., Пастернак Ю.Г., Юдин В.И. Волоконно-оптические линии связи

Подождите немного. Документ загружается.

Квантовый шум фотоприемника определяется средним

квадратом флуктуации выходного тока

ФКВ

fFGIei ∆⋅⋅〉〈⋅⋅⋅=〉〈 2

(4.4)

где I

n⋅e⋅〈G〉, а 〈G〉 − среднестатичтическая величина усиле-

ния на временном интервале, равном длительности оптическо-

го импульса.

4.4. Характеристики фотодетекторов

Наиболее важными параметрами и характеристиками фо-

тодетекторов,

как

оптических

приемников

ВОЛС, являются

сле-

дующие: токовая чувствительность, квантовая эффективность,

коэффициент внутреннего усиления (для ЛФД), темновой ток,

быстродействие, порог чувствительности, спектральная харак-

теристика чувствительности, рабочее напряжение смещения,

пробивное напряжение, размеры фоточувствительной поверх-

ности и др.

Токовая чувствительность S

(A/Bт) определяется отно-

шением величины фототока к мощности оптического излуче-

ния, падающего из световода на фоточувствительную поверх-

ность оптического детектора. Учитывая узкую спектральную

полосу излучения оптических источников (СИД и лазеров),

применяемых в ВОЛС, токовую чувствительность фотодетек-

торов обычно понимают в монохроматическом смысле.

Квантовый выход материала фотодетектора η − это без-

размерная величина, показывающая число первичных пар

электрон

дырка, образующихся при поглощении света в рас-

чете на один фотон (η

≤

1). Квантовый выход связан с токовой

чувствительностью простым соотношением

(мкм)

)A/Вт(

⋅≈η

241

(4.5)

Отсутствие оптической засветки фотодетектора не озна-

чает отсутствие тока на его выходе. Даже при полном затемне-

нии некоторый выходной ток (его называют темновым) все же

протекает через нагрузку фотодетектора. В германиевых при-

борах этот темновой ток может измеряться миллиамперами. В

кремниевых и других приборах темновой ток значительно

меньше (но никогда не равен нулю!).

О внутреннем усилении фототока в ЛФД при лавинном

размножении фотоэлектронов говорилось в разделе 4.3.5.

Быстродействие детекторов отражает скорость реакции

их на меняющееся внешнее воздействие, например, на корот-

кие оптические импульсы. Немгновенный отклик фоточувст-

вительных приборов свидетельствует об их инерционности.

Эквивалентная электрическая схема как

p-i-n-, так

лавинного

фотодиодов,

облучаемых

светом, выглядит одинаково (рис.

4.8).

На эквивалентной схеме фотодиода:

ФД

P⋅S

– величина тока генератора,

ФД

и C

ФД

– дифференциальное со-

противление обратносмещенного пе-

рехода в фотодиоде и его барьерная

емкость,

– последовательное сопро-

тивление. Дифференциальное сопро-

тивление R

ФД

− очень большое, и разряд конденсатора C

ФД

че-

рез него можно не учитывать. Сопротивление R, напротив, со-

ставляет несколько Ом, поэтому в p-i-n-фотодиоде именно оно

определяет быстродействие прибора (τ

ФД

= R⋅C

ФД

), время на-

растания и спада импульсов фототока, а значит, предельную

частоту модуляции оптического излучения. Последняя соответ-

ствует уменьшению мощности фототока до половинного уров-

ня по сравнению с мощностью, характерной для приема немо-

дулированного оптического излучения.

В ЛФД процесс размножения электронов отрицательно

влияет на быстродействие. Поэтому качество ЛФД оценивается

комбинированным параметром − добротностью:

ЛФД

= G⋅∆f. (4.6)

Обычно Q

ЛФД

~ 10…100 ГГц.

Порог чувствительности фотодетекторов определяется

как мощность модулированного по интенсивности оптического

Рис.4.8

ФД

80 81

излучения (среднеквадратического значения первой гармоники

ФД

) равная мощности шума (среднеквадратическому значению

темнового тока шума) в заданной полосе на частоте модуля-

ции. Пороговую мощность, приведенную к единичной полосе

частот, называют эквивалентной мощностью шума Р

Ш ЭКВ

(Вт/Гц

1/2

). Последняя определяет минимальную оптическую

мощность на входе фотоприемника, для которой отношение

сигнал/шум на выходе равно единице:

.)(

TminВХ

GFGieP ⋅⋅⋅⋅= 2 (4.7)

Спектральной характеристикой чувствительности фото-

детектора называют диапазон длин волн оптического излуче-

ния,

пределах

которого

токовая

чувствительность

(λ) умень-

шается не более чем на 10

% от своего максимального значе-

ния. Зависимости S

(λ) приводились на рис. 4.5.

При проектировании ВОЛС, в конечном счете, оптиче-

ский приемник выбирается так, чтобы требуемые отношение

сигнал/шум или вероятность ошибки реализовались при ми-

нимальном уровне принимаемого оптического излучения. По

данному критерию приемник на основе ЛФД имеет преимуще-

ство перед p-i-n-детектором. Однако если учесть, что достоин-

ства лавинного фотодиода проявляются лишь при хорошей ста-

билизации

рабочей

температуры

рабочего

напряжения

смеще-

ния (рис. 4.9), если также принять во внимание, что само рабо-

чее напряжение на один

- два порядка выше, чем у p-i-n-детек-

тора, к тому же ЛФД – менее на-

дежный и более дорогой прибор,

то все это объясняет, почему более

широкое применение в ВОЛС на-

шли оптические приемники, ис-

пользующие p-i-n-фотодиоды.

Отечественные p-i-n-фотоде-

текторы с рабочей длиной волны

0.85,

1.3,

1.55

мкм, характеризу-

ются токовой чувствительностью

0.3...0.6

А/Вт; монохроматиче-

ская токовая чувствительность для ЛФД − S

≥

50…100

А/Вт;

темновой ток − i

5…100

нА; постоянная времени прибора −

ФД

0.1…20 нс.

Технические параметры фотодетекторов зарубежного

производства имеют следующие типичные значения: эквива-

лентная мощность шума − Р

Ш ЭКВ

−10

…10

−14

Вт/

Гц

; ко-

эффициент внутреннего усиления − G

= 10…600; быстродейст-

вие −

ФД

0.08…50 нс.

4.5. Электрические усилители фототока

Информационный сигнал имеет минимальный уровень

на выходе фотодетектора. В дальнейшем он может быть неод-

нократно усилен (в нескольких усилительных каскадах), но

для качества восстановления сигнала особенно важен первый

усилитель – его называют, как и в радиоприемниках, предуси-

лителем. К предусилителям предъявляются трудно совмести-

мые требования. С одной стороны, он должен вносить в уси-

ливаемый сигнал минимальные собственные шумы, чтобы не

ухудшить соотношение сигнал/шум на выходе (в аналоговом

приемнике) или не увеличивать ошибку (в цифровом прием-

нике). С другой стороны, предусилитель должен обладать ши-

рокой частотной полосой, чтобы не ограничивать скорость пе-

редачи информации. К сожалению, второе требование трудно

совместить с первым.

В ВОЛС нашли применение два варианта построения

предусилителя: с высоким входным импедансом (рис.

4.10,а) и

с трансимпедансным входом (рис.

4.10,б).

При высоком сопротивлении нагрузки (рис.

4.10,а) вход-

ное сопротивление может быть увеличено. Поскольку большое

уменьшает тепловой ток (а, значит, и тепловой шум), чув-

ствительность приемника повысится. Однако полоса пропус-

кания приемника ∆f

ПР

⋅C)

−1

и, следовательно, уменьшается

с ростом R

. Если чувствительность приемника не очень важ-

на, можно уменьшить R

(схема с низким входным импедан-

сом) и за счет этого повысить полосу пропускания усилителя.

0°С 25 50 75

0 100 200

Рис.4.9

100

СМ

82 83

Схема предусилителя (рис.

4.10,б) позволяет совместить

широкую полосу пропускания с высокой чувствительностью.

В этой схеме сопротивление нагрузки включено в цепь обрат-

ной (отрицательной) связи, которое уменьшает входное сопро-

тивление в число раз, равное коэффициенту усиления К

УС

уси-

лителя. Тогда радиочастотная полоса пропускания приемника

составит ∆f

ПР

УС

⋅(R

⋅C)

−1

и, несмотря на большое R

может

быть широкой.

Типичная зависимость ошибки приема цифровых сигна-

лов от уровня мощности, поступающей на вход приемника,

для разных скоростей передачи данных приведена на рис.

4.11.

4.6. Регенераторы и усилители оптических сигналов

Из-за неизбежного

ослабления оптического

излучения при распрост-

ранении по световоду в

протяженных ВОЛС не-

редко возникает ситуа-

ция, когда сигнал умень-

шается до предельно до-

пустимого уровня после

прохождения некоторого

расстояния от оптическо-

го передатчика, причем

до оптического приемни-

ка свету предстоит прой-

ти еще значительный путь. Поэтому, чтобы дать оптическому

сигналу возможность дойти до приемника, имея уровень, пре-

вышающий порог чувствительности последнего, сигнал нужно

усилить (и может быть неоднократно) в промежуточных пунк-

тах между началом и концом ВОЛС.

Эту задачу можно решить двумя способами: по первому

способу между оптическим передатчиком и приемником в раз-

рыв световода вводится оптический усилитель; по второму

способу усилитель заменяется оптическим ретранслятором, в

состав которого включен регенератор цифрового сигнала.

Первый способ хорош тем, что осуществляет усиление моду-

лированного оптического сигнала,

не производя его детекти-

рование. В многоканальных

ВОЛС один такой оптический

усилитель одновременно обслуживает все каналы, число кото-

рых может составлять несколько десятков. Понятно, что при

этом все искажения в сигнале, накопленные на пути от оптиче-

ского передатчика, сохраняются, и усиливается не только сиг-

нал, но и сопутствующие шумы. Во втором случае усиливает-

ся только информационный (электрический) сигнал. Для этого

оптический сигнал детектируется. Выделенный электрический

сигнал усиливается и восстановленная импульсная последова-

тельность (собственно информация) вновь используется для

модуляции оптического излучения лазера или светоизлучаю-

щего диода, которое вводится в световод и передается до сле-

дующего оптического ретранслятора или до оптического при-

емника. Если в световоде путем мультиплексирования органи-

зована многоканальная передача информации с разделением

каналов по частоте (т.е. по длине волны оптического излуче-

ния), то отдельный регенератор требуется на каждый канал.

4.6.1. Оптические усилители

Оптический усилитель может быть установлен в одном

из трех пунктов ВОЛС (рис. 4.12). Когда оптический уси-

литель располагается

на выходе

оптического передатчика,

на-

Рис. 4.10

υh

УС

а б

84 85

10 25 50 60

Мбит/c

−38 −37 −36 −35 −34 −33 −32 −31 дБм

Рис.4.11

−5

−6

−7

−8

−9

−10

−11

−12

ошибка, BER

чале ВОЛС (позиция 4 на рис. 4.12), он называется мощным

усилителем (бустером) и эквивалентен выходному усилителю

мощности в мощных радиопередатчиках. Установленный в

пунктах 5,6 ВОЛС (рис. 4.12), усилитель называют линейным,

а непосредственно перед приемником − в конце ВОЛС (пози-

ция 7) − предусилителем.

Собственно усилитель может иметь разные принцип дей-

ствия и устройство. Известны усилители на лазерном диоде, на

эффекте Рамана, в виде отрезка световода, обладающего свой-

ством квантового усиления света. В первом из них использует-

ся лазерный диод, в котором устранена положительная обрат-

ная связь по оптическому излучению. Диод перестает быть оп-

тическим автогенератором (лазером) и превращается в оптиче-

ский усилитель. Как и в лазере, в нем применяется вырожден-

ный полупроводниковый материал (например, арсенид галлия

с гетероструктурой), инжекционная накачка, но нет настроен-

ного оптического резонатора. Диодный оптический усилитель

может работать на любой длине волны в диапазоне от 0.85

мкм

до

1.6

мкм, и в

этом

его

достоинство. Но он "шумит" (в том чис-

ле, вследствие спонтанных переходов в активном p-n-перехо-

де), чувствителен к поляризации вводимого в него излучения,

характеризуется заметными потерями на ввод усиленного оп-

тического излучения в световод, имеет перекрестные помехи

между оптическими каналами, разнесенными по длине волны,

когда они одновременно передаются по световоду (WDM

ВОЛС: Wavelength Division Multiplexing).

В рамановском усилителе используется эффект нелиней-

ного рассеяния фотонов модулированного оптического излуче-

ния на молекулах материала, из которого изготовлен световод.

При классическом (рэлеевском) рассеянии света молекулами

вещества, рассеянные фотоны имеют частоту, равную частоте

падающего света. Вынужденное (рамановское) комбинацион-

ное рассеяние (ВКР) является нелинейным и наблюдается при

высокой интенсивности падающего излучения. ВКР сопровож-

дается появлением стоксовой и антистоксовой компонентами

вторичного излучения.

Рассеяние в

стоксову

составляющую

бо-

лее вероятно и протекает по схеме:

ФНРАСПАД

hh (4.7)

где

РАСПАД

υ− частоты падающего и рассеянного излучения,

ФН

− энергия звукового кванта (фонона). Стоксово излучение

распространяется как вдоль падающей оптической волны, так

и навстречу ей. Сонаправленная стоксова волны имеет бóль-

шую мощность, и интенсивность этой волны может увеличи-

ваться на много порядков, создавая условия для оптического

усиления. Чтобы добиться последнего, в световод через нап-

равленный ответвитель вводится накачка (λ

НАК

≈

0.98

или

1.46

мкм). Вынужденные переходы возбужденных электронов с

верхних на нижележащие уровни порождают фотоны, коге-

рентные с падающей оптической волной (λ

ПАД

≈

1.55

мкм). Ра-

мановский или ВКР

усилитель является устройством с рас-

пределенным эффектом усиления.

Сосредоточенный оптический усилитель, построенный

на основе отрезка активного световода, нашел самое широкое

применение из рассмотренных трех вариантов, так как свет

здесь усиливается в самом световоде. Для достижения эффекта

усиления материал световода легируется атомами какого-либо

редкоземельного элемента: эрбия, гольмия, неодима, самария,

таллия, иттербия. Подходит любой из них, и тогда усилитель

пригоден для работы на длинах волн от 0.5 мкм до 3.5 мкм. Но

наилучшие результаты получены с эрбием, поэтому волокон-

ный оптический усилитель с эрбием применяется чаще других.

4 5

6 7

1 − оптический передатчик; 2 − световод; 3

−

оптический

приемник; 4…7 – три варианта размещения оптического

усилителя по длине

ВОЛС

Рис. 4.12

У У У У 3

86 87

В английском языке используется аббревиатура EDFA – Erbium

Doped Fiber Amplifier – волоконный усилитель, легированный

эрбием. Главное преимущество данного усилителя заключает-

ся в том, что наилучшие его характеристики достигаются при

работе в третьем окне прозрачности (λ

1.55

мкм). Напомним,

что в современных световодах излучение с такой длиной вол-

ны имеет наименьшие потери. Это в значительной степени

способствовало развитию систем WDM.

Типичная блок-схема волоконного оптического усилителя

с эрбием приведена на рис. 4.13.

Усилитель действует следующим образом. Оптическое

излучение накачки, вырабатываемое GaAs

лазером, на длине

волны λ

НАК

= 0.98

мкм (может применяться также накачка на

длинах волн

0.6…0.7

мкм) вводится в мультиплексор

3, где сме-

шивается с ослабленным сигнальным излучением, подлежа-

щим усилению (λ

ПАД

1.55

мкм). В активную секцию 4 они по-

ступают совместно. Там энергия излучения накачки расходует-

ся на возбуждение ионов эрбия Er

, создавая и поддерживая

инверсию населенности на рабочем переходе, у которого

РАБ

= λ

ПАД

. Слабое сигнальное излучение, взаимодействуя с

ионами эрбия, стимулирует индуцированные переходы послед-

них в менее возбужденные состояния, в результате чего рож-

даются фотоны с длиной волны λ

РАБ

, равной сигнальной, и ко-

герентные с сигнальными фотонами. Усиленное таким образом

излучение, несущее информацию, продолжает свое распро-

странение по световоду в сторону оптического приемника. Оп-

тические вентили 1 и 5 осуществляют развязку усилителя на

входе и выходе. Схема, показанная на рис. 4.13 (сонаправлен-

ная накачка), не является единственной. Применяются вариан-

ты усилителя с противонаправленной (рис.

4.14,а), двунаправ-

ленной (рис. 4.14,б) и отражательной (рис. 4.14,в) накачкой.

В отражательной схеме позицией 1 обозначен оптиче-

ский циркулятор, выполняющий функцию развязки, позици-

ей 5 − отражатель. Выбор длины волны излучения накачки ва-

жен, так как λ

0.98 мкм обеспечивает минимальные собст-

венные шумы усилителя, близкие к квантовому пределу. На-

качка с длиной волны λ

1.48 мкм уступает предыдущей по

шумам,

зато

выигрывает

по

квантовой

эффективности.

Посколь-

ку EDFA

усилители доминируют в ВОЛС, остановимся под-

88 89

1 2 3 4 5

1,5 − оптические вентили; 2 − пассивный световод;

3 − мультиплексор; 4 – активный световод − усилитель

Рис. 4.13

слабое излучение

от оптического

передатчика,

ПАД

1.55 мкм

от лазера

накачки,

НАК

0.98

мкм

ПАД

НАК

ПАД

РАБ

к оптическому

приемнику,

ПАД

1.55

мкм

Рис.4.14

НАК 2

1 4 3 2 5

слабое излучение

от оптического

передатчика,

ПА

= 1.55 мкм

от лазера

накачки,

НАК

= 1.48 мкм

ПАД

РАБ

к оптическому

приемнику,

ПАД

1.55

мкм

ПАД

РАБ

НАК

слабое излучение

от оптического

передатчика,

ПА

= 1.55 мкм

НАК 2

к оптическому

приемнику,

ПАД

1.55

мкм

НАК 1

от лазера

накачки,

НАК 1

= 0.98 мкм

от лазера

накачки,

НАК 2

1.48

мкм

ПАД

НАК 1

РАБ

ПАД

РАБ

ПАД

2 1 4 1 2

2 3

4 5

слабое излучение

от оптического

передатчика,

ПА

= 1.55 мкм

от лазера

накачки

к оптическому

приемнику,

ПАД

= 1.55 мкм

робнее на их характеристиках.

Зависимость реализуемого в

них усиления от длины волны

оптического излучения пока-

зана на рис. 4.15.

Видно, что полоса эрби-

евых усилителей составляет

примерно 40 нм. Усилители с

сонаправленной и противо-

направленной накачкой обес-

печивают обычно усиление

порядка "плюс" 16 дБ, внося

при этом шум на уровне 5…6 дБ (в режиме усиления малого

сигнала). Использование двунаправленной накачки усиливает

выходную мощность на "плюс" 26 дБм. Повышенное усиление

дают многокаскадные EDFA

усилители, в которых для сниже-

ния выходного коэффициента шума первый каскад усилителя

следует выполнять по схеме с сонаправленной накачкой (см.

рис.

4.13). Различие технических характеристик усилителей,

вызванное выбором длины волны излучения накачки, показано

в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Сравнение характеристик EDFA

усилителей,

соответствующих разным волнам накачки

Длина волны накачки

1.48 мкм 0.98 мкм

Диапазон длин

волн накачки

1.47…1.49 мкм 0.979…0.981 мкм

Мощность накачки

50…200 мВт 10…20 мВт

Источник

излучения накачки

лазер

InGaAsP/InP

лазер

InGaAs

Эффективность

накачки

5 дБ/мВт 10 дБ/мВт

Коэффициент шума

5.5 дБ 3.0…4.5 дБ

Выходная мощность

насыщения

20 дБм +

5 дБм

В качестве материала активного световода помимо квар-

цевого стекла применяется фтористое стекло. Активное фто-

ристое волокно обеспечивает более равномерную характери-

стику усиления, особенно в коротковолновом диапазоне длин

волн − 1.525…1.540

мкм. Это свойство полезно в многоканаль-

ных WDM

ВОЛС. Однако в таком световоде из-за высоких по-

терь не удается применить для накачки волну с λ

0.98 мкм,

которая, как отмечалось выше, обеспечивает более низкий уро-

вень собственных шумов усилителя. Кварцевый же световод

допускает использовать для накачки любую длину волну (и

0.98 мкм, и 1.48 мкм).

4.6.2.

Регенерация цифровых оптических сигналов

Как отмечалось в начале раздела 4.6, регенерация означа-

ет повторную генерацию оптических сигналов, модулирован-

ных информационной последовательностью так, как в пере-

датчике ВОЛС. Однако, в отличие от оптического передатчика

ВОЛС, на излучатель которого подается идеальный информа-

ционный сигнал, на вход регенератора поступает смесь шумов,

помех и очень слабого оптического излучения, информацион-

ная часть которого искажена. Рассмотренные в разделе 4.6.1

оптические усилители усиливают все компоненты данной сме-

си одновременно. Это просто, удобно, достаточно дешево, но

плохо с точки зрения качества передачи информации. Регене-

ратор действует иначе: в нем электрический информационный

сигнал отделяется от оптического, избавляется от искажений,

усиливается и ему придается форма информационного сигнала

точно такая, какая была на выходе оптического передатчика

ВОЛС. Если этим восстановленным сигналом промодулиро-

вать излучение лазерного источника, размещенного в регенера-

торе, то полученный цифровой оптический сигнал ничем не

будет отличаться от того, какой формируется на входе в ВОЛС.

В этом – суть регенерации.

Структурная схема оптического ретранслятора, в который

регенератор входит составной частью, изображена на рис.

4.16.

1.525 1.545 1.565 мкм

Рис.4.15

−8

−13

−18

−23

−28

−33

−38

−43

дБм

90 91

Ретранслятор включает в себя два функциональных бло-

ка: линейный усилитель и устройство регенерации. В первом

блоке входной оптический сигнал детектируется (позиция 1 на

рис. 4.16), усиливается (позиция 2), проходит устройство кор-

рекции частотной характеристики (позиция 3) и фильтруется

(позиция 4). В устройстве регенерации решающее устройство

(позиция 5) формирует последовательность двоичных единиц

и нулей в битовых позициях, в регенераторе (позиция 6) она

кодируется и преобразуется в информационную цифровую по-

следовательность, которая модулирует лазер (позиция 7). Дос-

тоинствами регенератора является не только то, что он почти

точно копирует цифровые оптические сигналы, но и то, что в

международных волоконно-оптических сетях SDH и SONET

(Synchronous Optical Network) он обеспечивает доступ к систе-

ме управления, эксплуатации и технического обслуживания,

определяет статус свой и битового потока, предоставляя сете-

вому оператору возможность мониторинга и технического сер-

виса. Оптический усилитель такими функциями естественно

не наделен.

4.6.3. Ошибки регенерации

Почему импульсная последовательность на выходе реге-

нератора не повторяет в точности импульсы, модулирующие

оптическое излучение на входе ВОЛС? Есть две группы при-

чин, приводящих к ошибкам. Первая группа включает в себя

причины внешние, накопленные до регенератора, вторая – внут-

ренние, присущие самому регенератору.

Как выяснилось выше, нет идеальных ВОЛС. Есть реаль-

ные линии, параметры которых отличаются от идеальных. На-

пример, интервал времени, отводимый для передачи одного

бита информации (двоичного "нуля" или двоичной "единицы",

рис. 2.34), из-за нестабильности таймера случайным образом

изменяется во времени, что приводит к фазовому дрожанию

сигнала. Также от бита к биту изменяется уровень "нуля" и

"единицы". Это является следствием нестабильности работы

оптического излучателя в передатчике ВОЛС и его шумов. Ес-

ли в идеальной системе передачи отношение энергии сигнала,

соответствующего двоичному "нулю", к энергии сигнала-"еди-

ницы" всегда равно нулю, то в реальной ВОЛС оно отлично от

нуля, да еще и непостоянно во времени. Далее, из-за дисперсии

все оптические импульсы уширяются, вследствие чего энергия

из одного бита переходит во временной интервал соседнего би-

та. По этой причине возникает межсимвольная помеха. Напри-

мер, при передаче двоичной комбинации "0−1−0−0" кодом

NRZ и кодом Миллера (рис.

2.36) к регенератору сигнал может

поступить (если не учитывать другие виды ошибок, перечис-

ленных выше) с временными диаграммами, качественно изоб-

раженными на рис. 4.17.

Перечисленные причины ошибок находятся вне регене-

ратора. Если по ВОЛС

кодом

NRZ

(рис.

4.18,б)

передаются дан-

ные, представленные на рис.

2.36, то результат действия внеш-

них по отношению к регенератору причин может иллюстриро-

ваться временной диаграммой показанной на рис.

4.18,в.

Внутри регенератора находятся свои причины ошибок.

Сигнал, подобный показанному на рис.

4.18,в (в электрическом

виде), поступает на

решающее устройс-

тво. Задача послед-

него – сравнить уро-

вень принятого сиг-

нала

с некоторым

пороговым уровнем,

который устанавли-

вается в соответст-

вии с

желаемой

чув-

Рис. 4.16

от оптического

передатчика

1 2

4 5 6

к оптическому

приемнику

Линейный усилитель регенерации

Уст

ойство

92 93

данные

0 1 0 0

в идеале

NRZ-

код

с учетом

дисперсии

в идеале

код

Миллера

с учетом

дисперсии

Рис.4.17

ствительностью устройства регенерации. Операция сравнения

происходит в определенный момент времени в пределах каж-

дого битового интервала. Этот момент задается стробом

–

ко-

ротким

импульсом,

генерируемым

строб

генератором. Как вся-

кое электронное устройство он работает не идеально, поэтому

позиция строб

импульса на временной оси подвержена слу-

чайным изменениям. На рис.

4.19,а моменты появления строб

импульса в идеальной ВОЛС отмечены штриховыми линиями,

перпендикулярными оси времени. Реальные моменты появле-

ния строба указаны стрелками. Результаты принятых решений

приведены на рис.

4.19,б, где знаком (*) выделены биты с оши-

бочным выводом. Современный стандарт требует, чтобы по-

добные ошибки случались не чаще, чем одна на миллиард бит.

Неточность синхронизации, приводящая к случайным

временным смещениям момента прихода в решающее устройс-

тво стробирующего импульса, не единственная ошибка из чис-

ла внутренних. Собственные шумы регенератора, накладыва-

ясь на шумы внешнего происхождения, усугубляют нестацио-

нарные изменения сигнала и приводят к тому, что короткий

выброс сигнала над порогом как раз в момент стробирования

закончится регистрацией "1", тогда как в данном бите переда-

вался "0", и наоборот, случайный провал под пороговый уро-

вень может быть принят за "0", хотя бит соответствует "1". На-

конец, взаимные помехи между символами, отмеченные выше,

как один из внешних причин ошибок, проявляется и внутри

регенератора.

Сильное влияние на качество работы решающего устрой-

ства оказывает полоса пропускания линейного усилителя. Дело

в том, что при широкой полосе увеличивается энергия шума,

приходящего на вход регенератора и повышающего вероят-

ность принятия ошибочного решения. Если полоса пропуска-

ния усилителя согласована со спектром принимаемых импуль-

сов, то широкая полоса (коротких импульсов) приводит еще к

одному недостатку: ужесточается требование к синхронизации

работы решающего устройства. Из этих соображений полосу

пропускания усилителя следует уменьшать. Однако узкая по-

лоса приведет к возрастанию межсимвольных помех из-за

уширения импульсной характеристики и соответственно от-

клика усилителя на отличный от нуля сигнал, который выйдет

за пределы собственного битового интервала и перекроет со-

седний интервал. Поэтому задача выбора полосы пропускания

усилителя носит компромиссный характер.

4.6.4. Квантовый предел фотодетектирования

Существует ли предел чувствительности оптического

приемника?

На этот вопрос легко ответить положительно. Ведь, если

за время наблюдения приемник регистрирует один фотон (т.е.

измеряет энергию, равную одному кванту), то это как раз и оз-

начает, что приемник достиг наивысшей чувствительности, так

как фотон неделим, и зарегистрировать энергию меньше одно-

го кванта невозможно. Однако сказанное справедливо, если на

вход приемника попадает "чистое излучение" с частотой ω,

(внешних шумов нет), сам приемник не шумит, и регистрация

излучения понимается в смысле подсчета числа фотонов. Та-

данные

0 1 0 0 1 1 0 0 0 1

NRZ

на входе

ретранслятора

Рис. 4.18

уровень

порога

на выходе

регенератора

0 0* 1* 0 1 1 0 1* 0 0*

Рис. 4.19

94 95

кой прием называется некогерентным: приемник выполняет

функцию счетчика фотонов и не реагирует на фазу излучения.

Если уметь избавляться от внешних шумов, то чувствитель-

ность оптического приемника – счетчика фотонов − будет огра-

ничиваться только его собственным шумом и в отсутствии по-

следних достигать абсолютного предела: один фотон за время

наблюдения.

При когерентном приеме приемное устройство должно не

только измерять амплитуду оптического сигнала (ежесекундно

считать число фотонов), но и одновременно фиксировать его

фазу. Квантовая теория света и ее основополагающий принцип

(соотношение неопределенности Гейзенберга) накладывают на

подобный способ приема оптического излучения фундамен-

тальное ограничение вида:

∆n ⋅∆φ

≥

½ (4.8)

где ∆n – неопределенность подсчета числа фотонов светового

излучения; ∆φ – неопределенность измерения фазы излучения.

Соотношение неопределенности (4.8) приводит к тому, что при

когерентном приеме на входе приемника появляется дополни-

тельный квантовый шум. Поэтому для когерентного оптичес-

кого приемника понятие предельной чувствительности услож-

няется. На вопрос − "каково минимальное число фотонов спо-

собен регистрировать когерентный приемник за время наблю-

дения?" − следует задать встречный вопрос − "а с какой неоп-

ределенностью данный приемник может отслеживать фазу из-

лучения?". Если эта неопределенность оценена и составляет

∆φ, то точнее, чем с разбросом

ϕ∆≥∆ /.50n (4.9)

когерентный приемник неспособен зарегистрировать сигнал. В

когерентном режиме работают аналоговые приемники, в неко-

герентном режиме – цифровые.

Учитывая дискретную структуру света, квантовый пре-

дел цифрового фотодетектирования следует понимать, как ми-

нимальное число фотонов, принимаемых в течение временного

интервала одного бита, которое на выходе приемника обеспе-

чивает требуемую вероятность ошибки.

Если за некоторое время на фоточувствительную пло-

щадку оптического детектора поступает в среднем световая

энергия W

ПР

, то при квантовом выходе η (4.5) среднее число

генерируемых пар электрон

дырка равно

ПРПР

⋅

⋅η=

(4.10)

Поскольку каждая новая пара электрон

дырка генерируется

независимо от предыдущей, процесс их рождения носит пуас-

соновский характер, так что каждый оптический импульс соз-

дает число пар, распределенных вблизи среднего значения по

закону Пуассона. Вероятность того, что количество пар элект-

рон

дырка равно k, определяется выражением

!./e)/( kNNkP

⋅=

−

(4.11)

В идеальной ВОЛС шум будет обусловлен только пуас-

соновским отклонением числа электронно-дырочных пар от

среднего значения. При равновероятной передаче "0" и "1"

ошибочный прием, вызванный пуассоновской статистикой, бу-

дет происходить с вероятностью

,e.)!/e(.

NPE

−−

⋅=+⋅⋅= 500050

(4.12)

где первое слагаемое в скобках есть ошибка приема "1", а вто-

рое – ошибка приема "0". Задаваясь стандартным требованием

РЕ

−9

, находим, что N должно быть более 20-ти, а падаю-

щая на фотоприемник оптическая энергия

)./(/

ПР

⋅

> cW hh 4020 (4.13)

Если лазерный передатчик ВОЛС излучает в первом окне про-

зрачности световода (λ

0.9

мкм), то энергия одного фотона со-

ставляет

1.38 эВ, и на приемнике с полосой В должна по-

ступать средняя мощность

96 97

,/.

ПРПР

⋅

ω⋅>⋅⋅

BBWP h1050 (4.14)

которая как раз отражает квантовую оценку чувствительности

приемника. В расчете на один бит принимаемой информации

даже в лучшем случае (η

1) на фотодетектор должно посту-

пить 10 фотонов света. В реальных ВОЛС из-за действия шумов

минимальный требуемый поток фотонов на два порядка больше.

4.7. Балансные соотношения для ВОЛС

При проектировании ВОЛС пользуются балансными со-

отношениями, учитывающими два главных показателя эффек-

тивности линии

(дальности и скорости передачи информации).

С увеличением протяженности ВОЛС сигнал ослабляется

из-за потерь в световоде в различных компонентах линии. При

заданных значениях мощности оптического передатчика и чув-

ствительности оптического приемника произвольное наращи-

вание длины линии связи может привести к энергетическому

дисбалансу (рис.

4.20,а). В этом случае прием сигнала не воз-

можен из-за дефицита энергии сигнала.

Если длина ВОЛС слишком мала (рис.

4.20,б), то сигнал

приходит к приемнику, имея большой избыток энергии. При-

емник переходит в нелинейный режим насыщения, что отрица-

тельно сказывается на качестве передачи информации.

Нормальным является случай (рис.

4.20,в), когда уровень

оптического сигнала, приходящего на вход приемника, лишь

незначительно (на 3…6 дБ) превышает порог чувствительнос-

ти последнего, создавая энергетический запас, который гаран-

тирует надежную работу ВОЛС в расчете на старение ее ком-

понентов в течение нормативного срока службы. В реальной

линии связи сигнал ослабляется не только в волокне, но и во

всех компонентах: устройствах ввода-вывода, в соединителях,

разветвителях, переключателях и т. п. На рис. 4.21 изображена

примерная диаграмма энергетического баланса для ВОЛС про-

стейшего типа.

Потери в ВОЛС часто выражаются в децибелах, отнесен-

ных к мощности в 1 мВт (дБм). Поэтому значение 0

дБм соот-

ветствует уровню мощности в 1 мВт, "минус" 3

дБм

0.5 мВт,

"минус" 10 дБм

= 0.1

мВт и т. д. Выраженный в децибелах пе-

репад уровня сигнала на выходе оптического передатчика и

порога чувствительности приемника называется энергетичес-

ким потенциалом линии связи. Суммарные потери в ВОЛС,

подсчитанные от входного до выходного сечения и выражен-

ные в дБм не должны превышать величины ее энергетического

потенциала.

Временной баланс предусматривает учет времени сраба-

тывания всех компонентов ВОЛС для того, чтобы обеспечить

требуемую скорость передачи информации. Все компоненты

ВОЛС инерционны. Прохождение через них оптических или

электрических сигналов сопровождается задержками послед-

Рис. 4.20

длина ВОЛС

велика

уровень сигнала

на входе ВОЛС

порог

дефицит

энергии

порог

длина ВОЛС

мала

уровень сигнала

на входе ВОЛС

избыток

энергии

порог

длина ВОЛС

в но

ме в

уровень сигнала

на входе ВОЛС

эне

г-й

запас

98 99

Рис.4.21

уровень

сигнала

порог

чувствительности приемника

оптический

передатчик

устройство ввода

оптический

приемник

устройство вывода

соединитель

волокно 1 волокно 2

потери в

волокне 1

потери в

волокне 2

энергетический

потенциал

линии

запас