Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

80

79

Содержание

Введение

1. Обзор работ по решаемой проблеме и постановка задачи проектирования оптического усилителя сигнала ВОЛС

2. Исследовательский раздел

2.1 Анализ ограничения параметров ВОЛС

2.2 Типы ретрансляторов ВОЛС

3. Конструкторский раздел

3.1. Энергетический расчет

3.2 Габаритный расчет

3.3 Конструирование устройства, расчет его надежности

3.3.1 Конструирование узла оптического усилителя

3.3.2 Проектирование электрической схемы

3.3.3 Расчет надежности устройства

4. Технологический раздел

4.1 Технология соединения волокон

4.2 Способы создания полупроводниковых оптических усилителей

5. Безопасность жизнедеятельности

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. Экономический раздел

6.1 Актуальность темы и постановка исследования

6.2. Расчет экономических затрат на тему

6.3 Определение технико-экономических показателей работы

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Спецификация и графический материал проекта

Введение

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;

- отсутствие перекрестных помех;

- малый диаметр и масса, его невысокая стоимость;

- высокая скрытность связи.

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 населенностей (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: light amplification by stimulated emission of radiation.

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 излучения.

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 модуляции 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/

80

79

Рисунок 1.2 - Зависимость Ватт - амперной характеристики лазерного диода от введенной мощности оптического сигнала (Ф₁> Ф₂> Ф₃> Ф₄) [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 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

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 - SiO₂) [5]. Стекло является неоднородным по составу - это смесь молекул SiO₂, 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:

, (2)

где б - показатель затухания;

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

, (2.1)

где - относительное изменение показателя преломления сердцевины и оболочки волокна со ступенчатым профилем показателя преломления;

NA - числовая апертура волокна.

Используя типичные значения показателей преломления волновода n₁ = 1,48 и отражающей оболочки n₂ = 1,46, находим

(/L)= 67 нс/км.

Это большое значение. Для расстояния 100 км это соответствует растяжению фронта импульса

= 6,7 мкс.

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

, (2.2)

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].

Сделаем выводы.

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.

2.2 Типы ретрансляторов ВОЛС

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/

80

79

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.allbest.ru/

80

79

Рисунок 2.4 - Типовая структура оптического усилителя ВОЛС.

Сигнал из волоконно-оптической линии связи поступает в оптически активное волокно, где он усиливается за счет энергии от дополнительного лазерного источника. Таким образом, усилитель создается на основе волокна, способного усиливать проходящую через него мощность оптического сигнала за счет подкачки оптической энергии со стороны дополнительного лазерного излучателя. Оптические усилители имеют очень важную особенность, а именно, будучи прозрачными по отношению к различным видам модуляции, осуществляемым на достаточно высоких скоростях, они позволяют проводить эффективное усовершенствование системы с позиции сохранения высокой скорости передачи цифровой информации, путём соответствующей замены оборудования. Другим преимуществом оптических усилителей является то, что они способны одновременно усиливать сигналы различных длин волн. Это обеспечивает возможность увеличения ёмкости и скорости передачи системы за счёт мультиплексирования по длине волны (частоте) - использования более одной длины волны. Очевидно, что увеличение числа длин волн является более экономичным, чем увеличение количества кабелей и регенераторов или усилителей, которые необходимо устанавливать для каждого волокна кабеля. Существуют три основных типа оптического усилителя (ОУ), которые были разработаны для использования в ВОСП [1]:

а) усилители на лазерных диодах,

б) усилители на легированном волокне;

в) рамановские усилители.

В настоящее время ОУ на легированном волокне доминируют на рынке. Для легирования используется элемент эрбий, а сами ОУ называются усилителем на волокне, легированном эрбием (EDFA). Конкурирующие с ними ОУ на лазерных диодах до сих пор уступали им дороговизной производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

В то же время ОУ на лазерных диодах могут работать в любом спектральном диапазоне, для которого созданы полупроводниковые излучатели, в том числе и в диапазоне длин волн 1310 нм, где усилители типа EDFA имеют неудовлетворительные характеристики. Известно, что усилители EDFA специально предназначены для диапазона длин волн 1550 нм [1, стр. 193].

В литературе описаны три типа усилителей на лазерных диодах: с блокировкой инжекции, типа Фабри--Перо и типа бегущей волны (TW) [1].

Первые два типа отличаются порогом генерации лазера.

Оптические усилители с лазерным диодом и блокировкой инжекции обычный лазерный диод смещен выше порога генерации лазера и работает как усилитель. Усилитель типа Фабри-Перо -- усилитель с лазерным диодом, который смещен ниже порога генерации лазера. Такой усилитель отличается более высокой надежностью, поэтому будет использован в проектируемом устройстве. Усилитель бегущей волны (УБВ) -- полупроводниковый усилитель, ограничивающие поверхности которого покрыты антиотражающим покрытием. В отличие от ОУ на легированном волокне, усилители на лазерных диодах могут быть спроектированы так, чтобы хорошо работать на любой длине волны, где могут работать лазеры (т.е. передатчики).

Максимальное усиление усилителя на лазерном диоде при инжекционном токе 80 мА составляет 19 дБ, а ширина полосы на уровне -3 дБ - примерно 50 нм. Достаточно широкая полоса пропускания - одно из преимуществ полупроводниковых лазерных усилителей. Можно ожидать и более широкий спектр усиления при использовании лазеров с множественными квантовыми (потенциальными) ямами (MQW), благодаря их своеобразной структуре энергетических зон. Уровень шума этих усилителей порядка 5-7 дБ [1].

Описаны три способа размещения оптических усилителей в схеме передачи сигнала через ВОЛС. Эти способы демонстрируются рисунками 2.5, 2.6 и 2.7.

На рисунке 2.5 показано применение ОУ в режиме линейного усилителя. В этом случае усилители устанавливаются в стратегических точках вдоль волоконно-оптического тракта для усиления сигнала до такого уровня, чтобы он соответствовал желаемому диапазону чувствительности удаленного мультиплексора ввода-вывода или оконечного приемника. Такая схема включения рекомендуется для протяженных ВОЛС.

Рисунок 2.5 - Схема включения ОУ в линейный тракт линии связи [1]

1 - блок передатчика ВОЛС, 2 - оптоволоконный кабель,

3 - блок оптического усилителя, 4 - блок приемника ВОЛС.

На рисунке 2.6 показан так называемый мощный усилитель (бустер). При обычной конфигурации его размещают сразу за оптическим передатчиком, для увеличения мощности сигнала до уровня +15 - +20 дБ. Такие уровни сигнала необходимы прежде всего, когда используется большое число пассивных элементов с существенным уровнем вносимых потерь, как например, в системах WDM.

Рисунок 2.6 - Схема включения ОУ в качестве усилителя мощности излучателя ВОЛС [1]

1 - блок передатчика ВОЛС, 2 - блок оптического усилителя,

3 - оптоволоконный кабель, 4 - блок приемника ВОЛС.

Если усилитель на лазерном диоде используется в качестве мощного усилителя (бустера), его выходная мощность ограничена, обычно на уровне < 10 мВт. Это объясняется его относительно малой (примерно 5 мВт) выходной мощностью насыщения. В этом заключается недостаток такой схемы включения, не позволяющей существенно увеличивать дальность оптической связи.

На рисунке 2.7 показан ОУ, используемый в качестве предусилителя. В этом случае ВОУ помещается на удаленном конце тракта, непосредственно перед удаленным приемником.

Рисунок 2.7 - Схема включения ОУ в качестве предусилителя приемника ВОЛС [1]

1 - блок передатчика ВОЛС, 2 - оптоволоконный кабель,

3 - блок оптического усилителя, 4 - блок приемника ВОЛС.

В большинстве случаев в такой конфигурации усилитель интегрируется с приемником. В этом случае ОУ понижает уровень чувствительности приемника. Усилитель получает сигнал низкого уровня, прошедший долгий путь или через ряд элементов с большим уровнем потерь, и повышает его до уровня, приемлемого для приемника.

В случае, когда ОУ на лазерных диодах используется в качестве предусилителя, результирующий уровень сигнала, подаваемый на оптический приемник, оказывается таким большим, что характеристики приемника ограничиваются не столько уровнем теплового шума, сколько уровнем дробового шума. Эти предусилители ухудшают отношение сигнал/шум также за счет шума спонтанного излучения. Относительно высокий коэффициент шума (порядка 5-7 дБ) типового усилителя на лазерных диодах делает их не идеальными для использования в качестве предусилителя. Но даже в этом случае, они могут значительно улучшить чувствительность приемника.

Полупроводниковые ОУ проявляют ряд недостатков, которые, в случае многоканальной связи, затрудняют их использование в качестве линейного усилителя. Среди этих недостатков можно отметить: чувствительность к поляризации, переходные помехи между каналами, чувствительные для систем многоканальной оптической передачи, дополнительные потери при вводе в волокно.

В то же время, использование полупроводниковых ОУ в линии передачи сигнала оправдано в случае протяженных линий, не использующих спектральное уплотнение сигналов, как это требуется в нашем случае.

Выводы из анализа литературных источников.

Будем применять усилитель с лазерным диодом, который смещен ниже порога генерации лазера, поскольку он отличается более высокой надежностью. Выбираем схему включения ОУ в ВОЛС в виде линейного усилителя мощности излучателя в волокне, что целесообразно в случае протяженных линий связи, допускающих размещение промежуточных усилителей.

3 КОНСТРУКТОРский раздел

3.1 Энергетический расчет

Передача оптического сигнала через волоконно-оптическую линию связи сопровождается потерей его мощности. Мощность сигнала на выходе волоконно-оптической системы определяется по уравнению [1]:

Р₁ = Р_вх •10 ^{- D} (3.1)

где Р₁ - мощность выходящего из волокна оптического импульса;

Р_вх - мощность излучения источника, расположенного в начале линии связи;

D - оптическая плотность системы, определяемая в Белах.

Если оптические потери рассчитаны в децибелах (дБ), то их надо перевести в Белы, или воспользоваться формулой

Р₁ = Р_вх •10 ^{- 0,1•D} (3.2)

где D - оптическая плотность системы в дБ.

В качестве мощности исходного сигнала берем мощность передающего модуля на основе лазера с вводом излучения в одномодовое оптическое волокно модели ПОМ-14-2к, производства отечественной компании НОЛАТЕХ, равной 2 мВт [3]. Этот модуль является оптоэлектронным устройством, обеспечивающим передачу оптических импульсов на длине волны 1,3 мкм со скоростью до 2,5 Гбит/с, что соответствует принятым техническим требованиям. Итак,

Р_вх = 2 мВт

Итоговые потери мощности складываются из потерь на отдельных участках ВОЛС. Выбираем волокно Corning SMF-28, которое имеет приемлемое затухание на длине волны нулевой дисперсии (1,3 мкм), составляющее 0,34 дБ/км [5, с. 210]. Учитывая заданную в техническом задании длину участка - 50 км, получим потери в волокне

D_B•= 17 дБ.

Согласно стандарту Ростелекома [5], учитываются следующие расчетные параметры потерь в разъемном соединении - не более 0,3 дБ [1]. Учитывая потери в двух разъемах: соединении источника оптического сигнала с волокном и разъемном соединении волокна с проектируемым устройством, получим суммарные потери в разъемных соединениях

D_Р•= 0,6 дБ.

По формуле (3.2) получим

Р₁ = Р_вх •10 ^{- 0,1(DВ +DР)} = 0,17 мВт.

Рассмотрим ослабление сигнала за счет отражения от поверхностей линзы, фокусирующей излучение на оптическом усилителе, и отражение от поверхности оптического усилителя. Пропускание определим по уравнению

(3.3)

где Р₁ - поступающая на линзу мощность излучения;

Р₂ - проходящая через линзу мощность излучения;

с_С - коэффициент отражения от границ воздух - стекло;

с_л - коэффициент отражения сигнала от границ воздух - полупроводник.

Отражение от границы раздела двух сред, одна из которых воздух, составит

(3.4)

где n - показатель преломления оптического материала.

В качестве материала линзы возьмем стекло К8 с линейной хроматической дисперсией [6, с. 646]. Показатель преломления на заданной длине волны для принятой точности вычисления составляет около n_С = 1,51. Таким образом коэффициент отражения оценим по формуле (3.4)

с_С = 0,041.

Полупроводниковый оптический элемент выполняется на основе сложного соединения группы А₃В₅ - InGaAsP, с показателем преломления n_П = 3,35 [7, с17].

Проведем аналогичные расчеты коэффициента отражения для границы воздух - полупроводник, получим более значимое число

с_П = 0,305.

В итоге, согласно формуле (3.3), получим мощность излучения, проникающего в усилитель.

Р₂ = 0,17 мВт • (1 - 0,041)² • (1 - 0,305) = 0,11 мВт.

Типовое значение усиления оптического сигнала полупроводниковым элементом французской фирмы Corning составляет 25 дБ [2, с. 214]. Учитывая это можно получить расчетное значение сигнала на выходе усилителя.

Р_{вых. расч.} = Р₂ • 10^2,5 = 34 мВт

В этом случае сигнал восстанавливается до уровня насыщения, определяемого в справочнике [2, с. 214] величиной.

Р_вых = 8 мВт.

Это больше сигнала на выходе передающего оптического модуля. Поэтому, имеется запас по мощности, обеспечивающий выполнение условий технического задания по длине безретрансляционной связи.

Наличие пяти промежуточных оптических усилителей позволяет получать линию связи в 300 км.

Принимая в качестве входного сигнала для последнего участка мощность излучения полупроводникового усилителя, равную 8 мВт, получим сигнал на входе приемника излучения ВОЛС, равный

Р_пи = Р_вых 10 ^{- 0,1•D} •(1 - с_С )² (3.5)

где Р_пи - мощность, поступающая на приемник излучения;

Р_вых- мощность, излучаемая усилителем;

D - суммарная оптическая плотность волоконной линии связи;

с_С - коэффициент отражения от границ воздух - стекло для линзы приемника излучения.

Пользуясь полученными ранее результатами, по (3.5) получаем

Р_пи = 0,63 мВт

Рассмотрим в качестве приемника р-i-n-фотодиод PD-1375-ir, обеспечивающий основные критерии качества приемного устройства: высокие чувствительность, быстродействие и низкий уровень собственных шумов. С этой точки зрения подходит модели PD-1375-ir. Фотоответ найдем по известной формуле:

I_Ф = Р_пи • S_I, (3.6)

где Р_ФП - поступающая на фотоприемник мощность излучения;

S _I- токовая чувствительность фотоприёмника.

Принимая во внимание фоточувствительность фотодиода при длине волны 1,3 мкм, равной S_I = 0,9 А/Вт, по (3.6), получим фотоответ

I_Ф = 0,56 мА = 5,6 10 - ⁴ А.

Темновой ток равен 1 нА = 10 - ⁹ А.

Отношение фототок/темновой ток составляет несколько порядков. Этот вид шумов можно не учитывать.

Внутренний коэффициент шума оптического полупроводникового усилителя Corning составляет 5,8 дБ [2, с. 214]. Шум ослабляется в той же степени, что и сигнал, в соответствии с формулами (3.2) и (3.5). Поэтому уровень шума на выходе оптического участка составит

Р_Ш = Р₂ • 10^0,58 10 ^{- 0,1•D} •(1 - с_С )² = 0,11 мВт • 3,8 • 0,017 • 0,92 = 6,4 10 ^{- 6} Вт.

Учитывая уровень сигнала, определенный ранее как Р_пи = 0,63 мВт, определяем отношение сигнал/шум приблизительно 100. Таким образом, требования по отношению сигнал/шум, который должен быть не меньше 2, выполняется с большим запасом.

3.2 Габаритный расчет

Проведем расчет оптической системы ввода излучения из волокна в полупроводниковый усиливающий элемент и дальнейшего ввода усиленного излучения в волокно продолжения линии связи.

Выбрано волокно Corning SMF-28 [5], оно имеет числовую апертуру 0,14 и диаметр сердцевины волокна 10,4 мкм.

Полупроводниковые излучающие элементы имеют высокую угловую расходимость излучения, и, соответственно, угол приема. Для характеристики ее используют два угла, лежащие во взаимно ортогональных плоскостях:

а) углом в направлении, перпендикулярном поверхности p-n перехода излучающего лазерного диода;

б) углом в направлении, параллельном поверхности p-n перехода.

Необходимо согласовать апертуры волокна и оптического усилителя.

Обычно для фокусировки излучения используется двояковыпуклая линзa. Оптическая схема показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Оптическая схема усилителя

1, 6 - оптоволокно, 2, 5 - линзы, 3, 4 - оптический усилитель.

В качестве аппретурного угла излучателя берется больший из двух углов расходимости, равный 34 градусам. Половина этого угла равна

- б = / 2 = 17^O.

Учитывая, что числовая апертура выбранного волокна равна NA = 0,14, угол отклонения от оси составит:

_m = arcsin (NA); (3.7)

где NA - числовая апертура;

_m - апертурный угол.

По формуле (3.7) получаем

_m = б' = arcsin 0,14 = 8,05°.

Угловое увеличение линзы определим формулой:

, (3.8)

где г - угловое увеличение;

б' - апертурный угол волокна;

б' - апертурный угол принимающего оптического усилителя.

Согласно формуле (3.8) получаем

Линейное увеличение для оптической системы, находящейся в среде с однородным показателем преломления, в нашем случае - воздухе, составляет

в = г^-1 = 2,16.

Определим осевые расстояния

, (3.9)

Взяв мм, получим

мм.

Световой диаметр линзы составляет

мм.

По формуле Гаусса

(3.10)

Учитывая равенство , перепишем (2.14) в виде

, (3.11)

откуда следует

. (3.12)

Получаем

f' = 3,72 мм.

Из известной формулы

(2.13)

принимая r₁ = -r₂ = r, получим

(3.14)

Используем для материала линзы стекло К8 [6, с. 646] с показателем преломлением для принятой точности вычисления - до трех значащих цифр, равным для заданной длине волны, с учетом линейного характера дисперсии,

n = 1,51.

Взяв r₁ = - r₂ = 3 мм. Подставим данные в формулу (3.14), получим

мм

Толщина линзы d = 3,5 мм.

Задний фокальный отрезок рассчитывается по формуле:

(3.15)

мм.

Передний фокальный отрезок рассчитывается по аналогичной формуле:

(3.16)

мм.

Задняя главная плоскость (Н) определяется по формуле:

(3.17)

мм.

Переднюю главную плоскость (Н) определяю по формуле:

(3.18)

мм.

Расстояние между главными плоскостями Н и Н:

(3.19)

?= 0,57 мм.

Ввиду обратимости хода лучей, их прохождение от излучающей площадки усилителя до волокна продолжения линии связи будет зеркальным отражением рассмотренного хода лучей. Это позволяет принять рассчитанные ранее параметры для оптической схемы ввода лучей в волокно.

В соответствии с проведенными расчетами, спроектирована конструкция оптического блока устройства, приводящаяся на сборочном чертеже. Расстояние между поверхностью линзы и торцами полупроводникового усилителя предварительно выставляется по результатам расчетов, а затем корректируется в ходе юстировки, ход которой освещается в последующем материале.

3.3 Конструирование устройства, расчет его надежности

3.3.1 Конструирование узла оптического усилителя

Конструкция устройства оптического усилителя выполнена в виде компактного блока, размещаемого в разрыве волоконной линии связи. Конструкция показана на сборочном листе. Спецификация приводится в Приложении А. Устройство включает металлический корпус, оптические разъемы, соединяемые впоследствии с волоконной линией, электрические разъемы в виде ножек, полупроводниковый кристалл усилителя оптического сигнала и схему питания.

Оптические разъемы крепятся на противоположных сторонах корпуса. Они выполняются совместно с крышкой (позиция 4), что упрощает их крепление к корпусу и позволяет снимать и присоединять крышку в процессе сборки без нарушения юстировки. Соединение с волокнами осуществляется путём вставки двух наконечников в высокоточную направляющую цилиндрическую втулку.

Размеры оптического разъема соответствуют принятым стандартам. Расстояния оптической части соответствуют результатам габаритного согласования, проведенным в соответствующем разделе проекта.