Расчет параметров КЭМ передачи и приема, Выбор типа источника излучения и фотоприемника, их параметры - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Выбор типа источника излучения и фотоприемника, их параметры

Выбор типа источника излучения. Общие требования к источникам излучения ВОСП следующие: л излучения источника должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь ОВ; конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в ОВ; источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы; габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными; простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

В высокоскоростных ВОСП значительные требования предъявляются и к динамическим характеристикам источников света. Удобнее всего использовать оптические излучатели, допускающие прямую модуляцию интенсивности, частоты или фазы излучения без существенных изменений других параметров (модового состава, диаграммы направленности и т. д.).

Источниками излучения в оптических передатчиках с прямой модуляцией являются полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) или лазеры. Передатчики на основе светодиодов используются совместно с многомодовым волокном в низкоскоростных системах передачи информации на короткие расстояния. Основными недостатками светодиодов являются малая скорость передачи информации, малая выходная мощность, широкая полоса спектра и большая расходимость излучения.

В зависимости от скорости передачи (В) и энергетического потенцила (Э), которые берутся из табл. 2.1, выбираем пару источника излучения и фотодиода.

Таблица 2.1 Параметры СИД и ЛД

Параметр

СИД

FP

DFB

VCSEL

Длина волны, нм

850/1310

1310/1550

1310/1550

850/1310

Мощность на стыке с ОВ, дБм

-10...-15

0

-1...2

0

Спектральная ширина линии, нм

30-60

<3

<0.1

<3

Максимальная скорость, Гбит/с

<0.155

>2

>10-40

2

Тип волокна

MMF

SMF, NZDSF

SMF, NZDSF

MMF, SMF

Цена

Низкая

Умеренно высокая

Высокая

Умеренная

Время наработки на отказ, ч

109

108

108

108

SMF - стандартное одномодовое волокно, MMF - многомодовое волокно, NZDSF - волокно со смещенной ненулевой дисперсией

зависимость энергетического потенциала между передающим и приемным модулями для различного сочетания источников излучения и фотодиодов от скорости передачи

Рис. 2.5 Зависимость энергетического потенциала между передающим и приемным модулями для различного сочетания источников излучения и фотодиодов от скорости передачи

В системах связи со скоростью менее 2,5 Гбит/с используются простейшие лазеры с резонатором Фабри - Перо и прямой модуляцией (рис. 2.6.).

При скоростях передачи информации В = 2,5 Гбит/с и выше необходимо использовать лазеры с распределенной обратной связью (DFB), в которых обеспечивается эффективная селекция мод и сужение спектра излучения (рис.2.7).

полупроводниковый лазер с резонатором фабри - перо и спектр его излучения

Рис.2.6 Полупроводниковый лазер с резонатором Фабри - Перо и спектр его излучения

полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (dfb) и спектр его излучения

Рис. 2.7 Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB) и спектр его излучения

В сетях связи возможно широкое использование лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) (рис.2.8).

полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (vcsel)

Рис.2.8 Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)

Достоинство VCSEL: возможность массового производства и тестирования, что ведет к значительному снижению их стоимости.

Преимущества: узкая полоса излучения, высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но доступная мощность излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих синхронно.

При проектировании оптической системы передачи на 10 Гбит/с и л=1550 нм в качестве источника лучше использовать DFB лазер фирмы Nel - NLK3C8CAKB потому, что: работает в необходимом оптическом диапазоне и обеспечивает в нем мощность 1 дБм данный тип лазера имеет узкий спектр излучения (л<0.1нм); имеет высокий уровень подавления боковых мод (35дБ); г) максимальная скорость передачи 10 Гбит/с; данный тип лазера имеет интегрированный в корпус электро-абсорбционный модулятор, что дает выигрыш в комбинации лазер + модулятор по цене и делает систему более компактной;

Таблица 2.2 Сравнение лазерных модулей

Характеристики

Тип лазерного модуля

ПОМ-03545

ЛПН-602М

JDSU 54TM-3XYZ

CyOptics D2500

CyOptics E3500

Nel NLK3C8CAKB

Диапазон рабочих длин волн, нм

1500...1550

1500...1550

1500...1580

1530...1570

1530...1563

1530...1565

Мощность излучения, дБм

0

0

-1.5...2

1

0

-1...2

Пороговый ток накачки, мА

25

30

20...50

12...50

5...35

15...30

Сопротивление терморезистора, кОм

19

10

15

10

10

10

Максимальный ток микрохолодильника, А

0.5

1

1

1

1.3

1.2

Уровень подавления боковых мод, дБ

-

-

30

30

30

35

Время нарастания, спада (по уровням 20/80%), пс

-

-

150

130

125

125

Максимальная скорость передачи, Гбит/с

0.155

0.622

2.5

2.5

2.5

10

Выбор фотодетектора. Наиболее распространены в ВОСП два типа фотодетекторов: pin-фотодиод и лавинный фотодиод (APD).

Pin: выделяют pin-фотодиоды на основе кремния и InGaAs. Чувствительность выражается в А/Вт или В/Вт и является мерой электрической мощности, которую можно ожидать на выходе фотодиода, отданной определенной, падающей на вход, световой мощностью сигнала. Для фотодиодов чувствительность отклика R связана с длиной волны светового потока л и квантовой эффективностью з, той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон - дырка:

(А/Вт)

Где л - в нм.

зависимость чувствительности от длины волны для кремниевых фотодиодов

Рис. 2.9 Зависимость чувствительности от длины волны для кремниевых фотодиодов

Как видно из рисунков, кремниевые фотодиоды могут использоваться в диапазоне коротких волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs - в диапазонах волн 1310 и 1550 нм.

зависимость чувствительности от длины волны для фотодиодов типа ingaas

Рис. 2.10 Зависимость чувствительности от длины волны для фотодиодов типа InGaAs

APD фотодиод представляет из себя pin диод с усилением. В его структуре присутствует дополнительная область усиления, приложив напряжение к которой можно добиться эффекта ударной ионизации. Эта усилительная зона достаточно велика, чтобы обеспечить полезное усиление порядка 100 (дБ) для кремниевых APD и 10-40 для германиевых и InGaAs APD. У APD фотодиодов есть и недостатки - они характеризуются коэффициентом избыточного шума (F), т. е. вместе с усилением они вносят в сигнал дополнительный шум.

Чувствительность приемников оптического излучения. Важная рабочая характеристика ВОСП, определяющая качество связи - это коэффициент ошибок (BER). Его значение равно отношению числа ошибочно интерпретированных символов к общему числу переданных символов. Причина возникновения ошибок - наличие шумов.

В реальных системах связи значения фототока, соответствующие и 1, и 0, флуктуируют во времени из-за наличия шумов. Такие временные флуктуации тока могут привести к ошибочной интерпретации информационного символа. Природу возникновения ошибок в двоичных цифровых системах связи с амплитудной модуляцией поясняет рис. 2.11.

электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сравнения

Рис.2.11 Электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сравнения

Уровень нуля I0, уровень единицы I1, уровень сравнения ID, длительность такта tD (слева) и распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала для 1 и 0 (справа). Закрашенные области показывают вероятности ошибок: Р(1/0) - вероятность интерпретации 0 как 1; Р(0/1) - вероятность интерпретации 1 как 0.

Из-за наличия шумов измеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренных значений тока при передаче логической 1 и 0 описывается соответствующими функциями F1(I) и F0(I) распределения вероятностей. На рис. 2.11, справа, графики функций F1(I) и F0(I) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствующую уровню напряжения сравнения ID. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма малая, но отличная от 0 вероятность неправильной интерпретации принятого сигнала. Вероятность Р (1/0) ошибочной интерпретации 0 как 1 определяется площадью под частью функции распределения F0(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. Аналогично вероятность Р (0/1) ошибочной интерпретации 1 как 0 определяется площадью под частью функции распределения F1(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. При равной вероятности передачи 0 и 1 коэффициент ошибок определяется простым выражением:

В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности и со среднеквадратичными отклонениями, для 1 и 0 соответственно коэффициент ошибки определяется выражением:

Где - показатель качества принимаемого сигнала.

Для нормальной работы ВОСП требуется, чтобы шум не превышал некоторого заданного значения. При фиксированной скорости передачи информации и пренебрежении шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать постоянными и не зависящими от мощности света. В этом случае Кош уменьшается при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличивается при его уменьшении. Минимальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи сигналов с заданным BER, называется чувствительностью оптического приемника. В цифровых системах голосовой связи максимально допустимое значение коэффициента ошибок обычно принимается равным 10-9.

С увеличением скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т. е. возрастает) в линейных единицах приблизительно пропорционально скорости B [бит/с]. Чувствительность современных цифровых высокоскоростных приемников на основе pin-фотодиодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 2.12).

зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приемника на основе pin - фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников

Рис.2.12 Зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приемника на основе pin - фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников

В отсутствии шумов чувствительность фотоприемника определяется квантовыми свойствами светового излучения и называется квантовым пределом чувствительности. При высоких скоростях, таких как 2.5 Гбит/с и 10 Гбит/с, улучшение чувствительности APD приемников может оказаться значительным.

Для InGaAs/InP APD, предназначенных для систем ВОСП с большой длиной волны, можно получить улучшение по крайней мере в 7 дБ по сравнению с pin приемниками на скорости 2.5 Гбит/с и 5 - 6 дБ на скорости 10 Гбит/с. Однако, при проектировании высокоскоростной системы передачи я сделал выбор в пользу InGaAs pin диода. Это обусловлено следующими факторами: а) pin диоды имеют большую наработку на отказ (может быть в 10 раз больше чем у APD); б) pin диоды менее чувствительны к изменению температуры и более просты в обращении; в) pin диоды значительно дешевле APD (по данным Farnell. com pin диоды в 10 - 20 раз дешевле APD);

Похожие статьи




Расчет параметров КЭМ передачи и приема, Выбор типа источника излучения и фотоприемника, их параметры - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Предыдущая | Следующая