Урядов В.Н. Волоконно-оптические системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

измеренных значений темнового тока от ширины запрещенной зоны материала в

области поглощения, полученные для различных фотоприемников. Из рисунка

видно, что при увеличении ширины запрещенной зоны уменьшается составляющая

, и поэтому темновой ток резко падает.

Дробовой шум возникает при образовании фотоносителей за счет поглощения

квантов света, а также в процессе лавинного умножения в ЛФД. Поэтому

среднеквадратичное значение полного тока фотоприемника, обусловленного

дробовым шумом, будет представляться в виде

(6.6, 6.7)

Рис. 6.5. Зависимость коэффициента шума лавинного умножения F(M) от

коэффициента умножения М.

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента ионизации электронов α, коэффициента

ионизации дырок β и их отношения k от напряженности электрического поля.

где F(M) — коэффициент шума лавинного умножения (коэффициент

избыточного шума), B

— ширина полосы пропускания усилителя, k — отношение

коэффициентов ионизации электронов и дырок; знаменатель представляет собой

коэффициент ионизации носителей, инжектированных в область лавинного

умножения. В случае фотодиода в вышеприведенной формуле можно положить

М=1.

Так как в процессе лавинного умножения число столкновений ограниченно, то

коэффициент лавинного умножения достигает некоторого предельного значения, а

статистический разброс числа столкновений проявляется в виде дробового шума

(шума лавинного умножения). Величина шума лавинного умножения определяется

F(M). На рис. 6.5 приведены характеристики F(M), вычисленные по формуле (6.7),

из которых видно, что F(M) возрастает с увеличением коэффициента лавинного

умножения, но в целом имеет более низкий уровень в материалах с меньшим

значением отношения коэффициентов ионизации. Поэтому для уменьшения шума

необходимо, чтобы разность между коэффициентом ионизации электронов α и

коэффициентом ионизации дырок β была по возможности большей и чтобы

носители, инжектированные в область лавинного умножения, обладали большим

коэффициентом ионизации. На рис. 6.6 приведены зависимости коэффициентов

ионизации а, β и отношения k — коэффициентов ионизации носителей, ин-

жектированных в Si, Ge и InP, от напряженности электрического поля. В кремнии

область лавинного умножения формируется инжекцией электронов в р-область при

α>β Коэффициенты ионизации α, β сильно зависят от напряженности элект-

рического поля. Кроме того, по мере снижения напряженности разность между α и β

возрастет. Поэтому для уменьшения шума желательно иметь умеренно низкую

напряженность электрического поля области лавинного умножения.

В кремнии темновой ток небольшой, порядка 10

-12

А, и при k в пределах 0,05—

0,1 шум лавинного умножения тоже невелик. Ge ЛФД в области больших длин волн

характеризуется большим значением темнового тока, значением k, близким к едини-

це, а также большим шумом лавинного умножения. Все это ограничивает

возможность уменьшения уровня шума. Поэтому в настоящее время ведется

разработка GalnAs ЛФД, в которых значение k примерно такое, как у InP.

7. МОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ [22]

7.1. Методы модуляции

Процесс модуляции состоит в изменении амплитуды, интенсивности, частоты,

фазы или поляризации колебания несущей частоты в соответствии с

информационным сигналом. Методы модуляции колебаний оптических частот

отличаются от соответствующих методов для колебаний частот радиодиапазона,

прежде всего, из-за характеристик и ограничений устройств, используемых для

осуществления процесса

модуляции. Многие модуляторы оптического диапазона

осуществляют модуляцию оптической несущей по интенсивности (квадрат

амплитуды электрического поля), в то время как модуляторы радиодиапазона

осуществляют модуляцию амплитуды несущей. Так как оптические детекторы

реагируют на интенсивность оптического колебания), аналоговая амплитудная

модуляция находит ограниченное применение вследствие существенной

нелинейной зависимости между модулирующим сигналом и сигналом на выходе

детектора. В оптическом диапазоне существуют фазовые модуляторы, однако, их

применение сильно ограничивается возможностями демодуляции; последнее

обстоятельство обусловлено частотными нестабильностями как передающего

устройства, так и местного гетеродинного генератора приемника. В оптическом

диапазоне легко осуществим способ поляризационной модуляции, в радиодиапазоне

этот способ находит весьма ограниченное применение.

Таблица 7.1 Классификация методов модуляции лазерного излучения

Тип модуляция Аналоговая Импульсная Цифровая

Информационный

сигнал

Непрерывный во

времени

Непрерывный

или дискретный

во времени

Дискретный во

времени

Параметр

колебания

несущей частоты

(амплитуда,

интенсивность,

частота, фаза или

поляризация)

Непрерывный

или

квантованный

Квантованный и

кодированный

Пример

Модуляция по

интенсивности

Импульсная

модуляция по

интенсивности

Кодово-

импульсная

модуляция по

интенсивности

В табл. 7.1 классифицированы способы модуляции лазерного излучения

(аналоговый, импульсный и цифровой). В аналоговых модуляционных системах

амплитуда, частота, фаза, интенсивность или поляризация колебания несущей

частоты непрерывно изменяются в соответствии с аналоговым информационным

сигналом M(t). В импульсных модуляционных системах длительность сигнала

несущей или момент его появления изменяются в соответствии с передаваемой

информацией. В большинстве импульсных модуляционных систем

информационный сигнал может быть восстановлен по значениям отсчетов M(t),

отстоящих во времени на интервал 1/2

сек. На практике многие источники

сигналов не имеют четкого ограничения по полосе, поэтому квантование по времени

должно осуществляться, по возможности, на наивысшей частоте в целях

уменьшения ошибок при восстановлении информационного сигнала. Амплитуды

информационных отсчетов часто ограничены определенной группой уровней при

квантовании по амплитуде, что позволяет эффективно использовать цифровые

устройства памяти

и обработки. Квантование по амплитуде требуется для всех

цифровых видов модуляции. В цифровых модуляционных системах каждому

квантованному отсчету сопоставляется дискретная группа символов или код.

Обычно кодовый набор состоит из последовательности «единиц» и «нулей»; такое

кодирование информации называется кодово-импульсной модуляцией (КИМ).

Рис. 7.1 графически иллюстрирует принципы классификации методов

модуляции по интенсивности. В

системе аналоговой модуляции по интенсивности

(ИМ) (рис. 7.1а), интенсивность лазерного луча прямо пропорциональна непрерывно

изменяющемуся во времени информационному сигналу. Квантованные во времени

отсчёты информационного сигнала показаны на рис. 7.1б. Для квантованной

импульсной модуляции по интенсивности (ИМИ) характерно то, что интенсивность

несущей пропорциональна квантованному значению амплитуды информационного

сигнала в течение фиксированного

интервала времени. На рис. 7.1в показана

двоичная последовательность в виде кода, соответствующая квантованным отсчетам

информационного сигнала. «Единицы» и «нули» двоично-кодированного

информационного сигнала соответствуют максимуму и минимуму интенсивности

колебания несущей частоты.

Рис. 7.1. Методы модуляции оптического излучения по интенсивности:

а) Аналоговая модуляция по интенсивности (МИ); б) импульсная модуляция

по интенсивности (ИМИ); в) цифровая модуляция по интенсивности (КИМ-МИ)

Рассмотрим методы модуляции излучения в общем виде. Более детальный

анализ будет дан в последующих разделах.

Аналоговые методы. При аналоговой амплитудной модуляции (AM) амплитуда

электрического поля

оптической несущей пропорциональна амплитуде

информационного сигнала. Аналоговая частотная модуляция (ЧМ) характеризуется

тем, что мгновенная частота колебания пропорциональна амплитуде ин-

формационного сигнала. При аналоговой фазовой модуляции (ФМ) текущая фаза

оптического колебания пропорциональна амплитуде информационного сигнала.

Аналоговая модуляция по интенсивности (МИ) характеризуется тем, что

интенсивность колебания несущей частоты пропорциональна амплитуде

информационного сигнала.

Аналоговая поляризационная модуляция (ПМ) может

быть двух типов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол

вектора поляризации линейно-поляризованного колебания по отношению к

опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при

круговой ПМ отношение интенсивностей несущего колебания «правого» и «левого»

поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала.

Импульсные методы. Непрерывная или квантованная

амплитудно-импульсная

модуляция (АИМ) характеризуется тем, что амплитуда импульса электрического

поля оптической частоты пропорциональна отсчету амплитуды информационного

сигнала. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) может быть непрерывная или

квантованная. При этом виде модуляции частота несущей оптических импульсов

пропорциональна отсчету амплитуды информационного сигнала. Импульсная

модуляция по интенсивности (ИМИ) аналогична АИМ, однако, вместо амплитуды

оптического сигнала изменяется его интенсивность. Непрерывная или квантованная

широтно-импульсная модуляция (ШИМ) характеризуется изменением длительности

оптического импульса в соответствии с отсчетом амплитуды информационного

сигнала (начало импульса соответствует моменту отсчета). Непрерывная или

квантованная позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) характеризуется

временной задержкой сигнального оптического импульса

относительно опорного

импульса; временная задержка пропорциональна отсчету амплитуды

информационного сигнала. При счетно-импульсной модуляции (СИМ) число

оптических импульсов короткой длительности, укладывающихся в единичный

временной интервал, пропорционально амплитуде информационного сигнала.

Цифровые методы. КИМ-ИМ (КИМ-АМ) — кодово-импульсная модуляция

интенсивности (амплитуды) характеризуется тем, что интенсивность (амплитуда)

оптического колебания максимальна, когда передается

двоичный знак — «единица»,

или минимальна при передаче «нуля» в двоичном коде, соответствующем отсчету

амплитуды информационного сигнала. КИМ-ЧМ— кодово-импульсная частотная

модуляция (манипуляция) характеризуется дискретным сдвигом частоты несущего

оптического колебания, одному значению частоты соответствует «единица»,

другому — «нуль» двоичного кода, соответствующего отсчету амплитуды

информационного сигнала. При КИМ-ФМ кодово-импульсной фазовой модуляции

(манипуляции) фаза несущего оптического колебания манипулируется по

отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или π рад в

соответствии с «единицей» или «нулем» двоичного кода, представляющего ампли-

туду информационного сигнала. КИМ-ПМ — кодово-импульсная поляризационная

модуляция (манипуляция) может быть осуществлена в двух вариантах: линейно-

ортогональном и циркулярно-ортогональном

. В первом случае: «единице» в кодовой

комбинации соответствует вертикальная поляризация колебания оптической

частоты, а «нулю» — горизонтальная поляризация; во втором случае «единице»

соответствует правая круговая поляризация несущего колебания, а «нулю» — левая

круговая поляризация.

7.2. Модуляция по интенсивности.

Аналоговая модуляция интенсивности имеет ту особенность, что квадрат

амплитуды электрического поля несущей пропорционален

модулирующему сиг-

налу, т. е.

(7.1)

Если колебание несущей частоты умножается на функцию

То результирующая интенсивность несущей равна

(7.2)

Индекс модуляции по интенсивности

определяется следующим образом:

где

– максимальное значение интенсивности несущей. При

синусоидальной модуляции интенсивности несущей (рис. 7.1) имеем

. (7.3)

Рис. 7.1. Временное и спектральное представления колебания,

модулированного по интенсивности

Уравнение (7.3) описывает идеальный случай модуляции по интенсивности. На

практике же многие модуляторы оптического диапазона осуществляют модуляцию

по интенсивности поля, составляющие которого имеют вид:

(7.4)

(7.5)

где

– физическая постоянная модулятора. В соответствии с этим

(7.6)

или

(7.7)

Для случая, когда

мал, выражение для модулированного колебания

сводится к уравнению (7.2) при глубине модуляции по интенсивности менее 100%.

Спектральное распределение при модуляции синусоидальным тоном

находится из уравнений (7.6) и (7.7). Составляющие поля по осям X

и Y отличаются только знаком, поэтому для нахождения спектра достаточно

рассмотреть одну составляющую. Составляющая по оси X при модуляции

синусоидальным тоном запишется в виде

(7.8)

Используя разложение по функциям Бесселя, получим

(7.9)

Отсюда видно, что спектральный состав колебания при синусоидальной

модуляции интенсивности аналогичен спектральному составу при ЧМ. При малом

выражение для составляющей электрического поля вдоль оси X упрощается:

(7.10)

Или

(7.11)

Уравнение (7.11) эквивалентно уравнению для сигнала AM при

синусоидальном модулирующем сигнале. Таким образом, частотный спектр поля,

модулированного по интенсивности синусоидальным колебанием с малой глубиной,

аналогичен спектру AM (или узкополосной ЧМ.

7.3 Поляризационная модуляция.

При линейной поляризационной модуляции фазовые углы составляющих вдоль

ортогональных осей равны

. Тогда поляризационный угол между

амплитудами вдоль ортогональных составляющих пропорционален

модулирующему сигналу

(7.12)

где

– коэффициент пропорциональности, зависящий от физического

принципа модуляции.

Векторная сумма амплитуд по осям X и Y равна постоянной амплитуде поля

(7.13)

Учитывая эти соотношения, получим:

(7.14)

(7.15)

При модуляции синусоидальным колебанием выражения для составляющих

электрического поля принимают вид:

(7.16)

(7.17)

При разложении в ряд составляющих электрического поля получим

модуляционный спектр. Спектр совпадает со спектром частотномодулированного

сигнала. Укажем на недостаток систем с линейной поляризационной модуляцией.

Если передающее или приемное устройства вращаются случайным образом или

если флуктуации коэффициента преломления атмосферы приводят к случайным

вращениям плоскости поляризации, то эффективность детектирования ухудшается.

Этого недостатка лишена система с круговой поляризационной модуляцией. В

аналоговой круговой поляризационной системе полная энергия несущей

распределяется по двум компонентам несущей с правой и левой круговой

поляризацией пропорционально амплитуде информационного сигнала M(t).

Интенсивности составляющих электрического поля с правой и левой круговой

поляризациями в идеальном случае равны:

(7.18)

(7.19)

например, если M(t) =1, то несущая полностью циркулярно поляризована; если

M(t) =0,5, то несущая на 25% состоит из правоциркулярно поляризованного света и

на 75% из левоциркулярно поляризованного света. Составляющие несущей с левой

и правой круговой поляризацией могут рассматриваться индивидуально в качестве

несущих, модулированных по интенсивности. Таким образом, частотный спектр

колебания несущей с круговой поляризационной модуляцией совпадает

со спектром

несущей, модулированной по интенсивности.

Круговая поляризационная модуляция существенно эффективнее, чем

модуляция по интенсивности при одинаковой пиковой передаваемой мощности.

Обусловлено это тем, что мощность несущей всегда передается в одном

поляризационном состоянии или другом. В системе с модуляцией по интенсивности

передается в среднем лишь половина потенциально возможной мощности несущей.

заключении отметим, что модуляция по интенсивности является основным

видом модуляции во всех применяемых системах.

7.4 Новые виды модуляции высокоскоростных цифровых ВОСП

Классифицируя форматы модуляции, следует разделить их, прежде всего, по

параметру электромагнитной волны, используемому для модуляции. Практическое

применение нашли форматы, в которых для кодирования информации применяется

амплитудная модуляция ASK, и форматы

, использующие для этой цели фазовую

модуляцию PSK. При этом следует иметь в виду, что ряд форматов, использующих

амплитудную модуляцию, содержит некоторую фазовую модуляцию, которая не

несет никакой информации. Аналогично оптические сигналы в форматах,

применяющих фазовую модуляцию, обладают также и амплитудной модуляцией, не

несущей самостоятельной информации. В то же время разработаны новые

многоуровневые форматы, в которых информация кодируется как амплитудой, так и

фазой световой волны. Модуляция, используемая в форматах такого типа, иногда

называется квадратурной модуляцией, а для обозначения самих форматов

используется аббревиатура ASK-PSK. Так же начаты исследования форматов, в

которых информация кодируется модуляцией частоты FSK.

Среди амплитудных форматов наиболее известными являются бинарные

форматы ООК, имеющие

два информационных значения мощности,

соответствующих включенному и выключенному состоянию передатчика. В

оптических системах связи все фазовые форматы модуляции используют

дифференциальные фазовые методы, так как в оптическом диапазоне практически

нецелесообразно выделять абсолютное значение фазы несущей световой волны

принимаемого сигнала. Поэтому информация закладывается в относительный сдвиг

фазы несущих двух последовательных импульсов. Этот фазовый сдвиг должен быть

преобразован в амплитудную модуляцию с использованием оптических линий

задержки и интерференции. Обозначение для этих форматов – DPSK.

При амплитудной модуляции в системах оптической связи осуществляется

изменение мощности оптического излучения передатчика. Исторически бинарный

амплитудный формат был первым форматом, используемым в оптической связи, так

как его можно получить путем прямой модуляции током накачки. Благодаря

простоте

и экономичности технической реализации бинарный ASK является самым

распространенным форматом и в настоящее время. Прямая модуляция возможна в

передатчиках как на основе светоизлучающих диодов, так и на основе

полупроводниковых лазеров любого типа. В передатчиках с прямой модуляцией, в

соответствии с информационной последовательностью, модулируется ток накачки.

Под действием модулированного тока накачки модулируется

выходная мощность

светового излучения лазера. Такой способ реализации амплитудного формата

является доминирующим в относительно низкоскоростных системах передачи,

менее 2,5 Гбит/с, особенно в городских сетях и сетях доступа. Недостатком

передатчиков с прямой модуляцией является наличие паразитной частотной и

амплитудной модуляции, связанных с переходными процессами в

полупроводниковых лазерах. Паразитная частотная модуляция приводит к

увеличению искажений, связанных с хроматической дисперсией. Эффективным

методом уменьшения паразитных эффектов является использование

структурированных импульсов накачки, а также волокна с отрицательной

дисперсией и полупроводниковых лазеров специальной конструкции. Современные

передатчики с прямой модуляцией обеспечивают максимальную скорость передачи

10 Гбит/с. Однако по дальности передачи информации и спектральной

эффективности системы связи с такими

передатчиками далеки от оптимальных.

Существенно увеличить технические параметры системы связи позволяет

использование передатчиков на основе полупроводниковых лазеров с непрерывной

накачкой и внешней модуляцией.

Наиболее популярным среди амплитудных форматов остается формат без

возвращения к нулю NRZ.