СД-04-1 Структурная схема оптических систем передачи. Понятие оптического линейного тракта

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

На рисунке 1 представлена структурная схема цифровой волоконно-оптической системы передачи.

На оконечных станциях ЦВОСП используется унифицированная многоканальная аппаратура ЦСП всех ступеней иерархии. Каналообразующая аппаратура ИКМ (1 и 16), а также аппаратура временного группообразования (2 и 15) имеет стандартные стыки в точках а и б.

Для увеличения дальности передачи в ЦВОСП необходимо в промежуточных пунктах устанавливать регенераторы, восстанавливающие форму сигнала и временные интервалы в передаваемой импульсной последовательности. В современных системах передачи эти функции выполняют электронные узлы (9) промежуточного регенератора. Цифровой линейный сигнал детектируется в приемной части регенератора фотоприемным устройством (8), после регенерации поступает на электрооптический преобразователь (10) и далее в оптический кабель (7) следующего участка.

Рис. 1. Структурная схема цифровой волоконно-оптической системы передачи: 1, 16 -передающая и приемная аппаратура аналого-цифрового преобразования ИКМ; 15 - передающая и приемная аппаратура временного группообразования; 3, 12 - устройства кодирования и декодирования группового сигнала; 4, 10 - электрооптические преобразователи оконечной и промежуточной аппаратуры линейного тракта; 7-оптический кабель; 9-электронный регенератор; 8, 11 - фотоприемные устройства; 5, 13,17-аппаратура служебной связи; 6, 14, 18 - аппаратура телемеханики

В блоках 3, 12 осуществляется процесс линейного кодирования и декодирования поступающего группового сигнала.

В соответствии с рекомендациями МККТТ G.703 в системах PDH для первой (скорость 2,048 Мбит/с), второй (скорость 8,448 Мбит/с) и третьей (скорость 34,368 Мбит/с) ступеней иерархии рекомендован трехуровневый код HDB-3. Для четвертичной ступени иерархии (скорость 139,264 Мбит/с) в качестве стыкового кода рекомендован код CMI.

Применение кода HDB-3 в линейном тракте ВОСП нецелесообразно поскольку двухуровневый сигнал с переменной полярностью в электрических цепях превращается в трехуровневый в оптическом тракте (рис. 1) и мощность сравниваемых символов при принятии решения оказывается в 2 раза меньше, что эквивалентно уменьшению мощности передатчика в 2 раза. Кроме того, специфика шумов фотоприемного устройства и других элементов вносит дополнительные потери в помехозащищенность. В связи с этим в аппаратуре линейного тракта применяют преобразователи (см. блок 3 на рис. 1)кода HDB-3 (для первых трех ступеней иерархии) в линейный код типа nBmB и декодирующее устройство (12). Для четвертичной системы передачи отечественного производства также применяют преобразователи кода, так как хотя код CMI и однополярный, но он увеличивает линейную скорость в 2 раза

В первичной системе передачи (30 каналов ТЧ) используется бифазный код; во вторичной (120 каналов ТЧ), предназначенной для соединительных линий ГТС («Соната-2»), используется код CMI; во вторичной и третичной (480 каналов ТЧ) системах, предназначенных для внутризоновьи сетей («Сопка-2» и «Сопка-3»), используется код 5В6В, а в четвертичное системе (1920 каналов ТЧ) - код класса 10B1P1R.

Во всех случаях предусматривается система технического обслуживания (узлы 5, 6, 13, 14, 17, 18 рис. 1), обеспечивающая контроль состояния и обслуживание линии и аппаратуры в процессе эксплуатации. В ее состав входят:

• система телемеханики (телеконтроль и телеуправление), обеспечивающая телеметрический контроль качества передачи сигнала и технической состояния промежуточного оборудования и кабеля с оконечных станций отображение результатов контроля, а также дистанционное управление раз личными устройствами переключения и коммутации;

• система служебной связи, обеспечивающая проведение служебных переговоров между оконечными и любыми промежуточными станциями в процессе пуско-наладочных, ремонтных и профилактических работ;

• система сигнализации.

ПОНЯТИЕ ОПТИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА

Совокупность устройств, обеспечивающих передачу цифрового на противоположную оконечную станцию системы передачи, его прием и необходимую достоверность, называется цифровым линейным трактом (ЦЛТ). Двоичный сигнал при передаче по ЦЛТ подвергается искажениям и воздействию различного рода помех.

Наиболее важной особенностью цифрового способа передачи сигналов является возможность восстановления формы искаженной импульсной последовательности при прохождении через направляющую среду. Импульсная последовательность восстанавливается с помощью специальных устройств, называемых регенераторами. Которые размещаются вдоль линии передачи цифрового сигнала. Для уменьшения искажений, вносимых направляющей средой, например, кабельной линией, а также для повышения достоверности передаваемой информации, двоичный цифровой сигнал в современных ЦСП преобразуется в так называемый цифровой линейный сигнал при помощи преобразователей кода на передающей оконечной станции. На приемной станции производится обратное преобразование линейного сигнала в двоичный цифровой сигнал при помощи преобразователя кода приема.

Регенераторы, устанавливаемые на ЦЛТ выполняют три основные функции:

• корректирование формы принимаемых импульсов;

• выделение тактовой частоты из линейного цифрового сигнала;

полное восстановление формы и временных соотношений в линейном цифровом сигнале (этот процесс и называется регенерацией).
СД04--2 Передающие и приемные оптические модули: структурные схемы и характеристики

Передающие оптические модули

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах", предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях с максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

• излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

• источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

• источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

• источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

• температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

• стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD). Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, рис. 1. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Рис. 4.1. Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки, и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рис. 2. Аттенюатор используется для уменьшения мощности излучения ПОМ (например, для коротких линий).

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала. Упрощенное описание каждого из методов приведено ниже. При синхронном режиме битовый, поток между приемником и передатчиком носит непрерывный характер. При асинхронном режиме данные передаются в виде организованных битовых последовательностей - пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит - сигнала нет. При синхронном режиме приема-передачи таймер приемника выделяет в приходящей битовой последовательности специальные сигналы -синхроимпульсы, на основании которых приемник регулярно настраивает или подстраивает свои часы. При асинхронном режиме приема-передачи приемник имеет свой независимый таймер. Принимая начальные биты пакета (преамбулу), таймер приемника настраивает узел принятия решения так, чтобы определение приходящего бита выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает узел принятия решения, идет на частоте таймера. Так как есть погрешность у разных таймеров, то, по мере принятия последующих битов пакета, момент определения приходящего бита плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего бита. Для правильной идентификации всех битов пакета важно, чтобы смещение за время принятия пакета не превысило 0,5 бита. Это приводит к ограничению на максимальную длину пакета. Чем меньше погрешность таймеров, тем большая длина пакета может использоваться для передачи.

Передающие оптические модули. Оптические передатчики приемники ВОСП выполняются и виде модулей, в состав которых входят источники и приемники оптического излучения и электронные схемы обработки электрических сигналов.

К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны излучения должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь оптических волокон; конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в оптическое волокно; 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.

Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП: пленарные полупроводниковые, волоконные и объемные микрооптические (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только пленарные полупроводниковые источники — светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД) — широко используются в реальных системах. Они работают в диапазоне волн 0,8... 1,6 мкм, который характеризуется минимальными потерями в ОВ, и позволяют вводить в волокно достаточно большую мощность (0,05......2 мВт),

В СИД оптическое излучение происходит в результате спонтанной эмиссии, когда к области р —n-перехода в полупроводниковом материале с прямыми переходами приложено положительное смещение. Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Частота излучения f определяется разностью энергетических уровней E_q, т. е. шириной запрещенной энергетической зоны f=с/λ= E_q/h, где h — постоянная Планка; с — скорость света в вакууме.

Поскольку время перехода всех электронов с одного энергетического уровня на другой не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того; мельчайшие колебания энергии E_q также влияют на частотный разброс излучения. Эти флуктуации приводят к тому, что спектр излучения приобретает некоторую ширину Д/ (рис. 8.14). Значение ∆f используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью (некогерентное излучение).

Основными характеристиками источников излучения наряду с шириной спектра излучения являются ватт-амперная характеристика, максимальное значение частоты модуляции, срок службы и надежность

Зависимость мощности излучения от тока инжекции (накачки) показана на рис. 8.15. Особенностью этих характеристик является практически линейная зависимость P= f( I_и ). Это позволяет использовать аналоговые системы передачи. Максимальная частота модуляции f тах=1/( 2πτиηвн ), где ηвн — внутренняя квантовая эффективность материала полупроводника; т„ — время жизни неосновных носителей, обусловленное излучательными переходами.

По возможности необходимо уменьшить излучательное время жизни т. При этом возрастает как значение η_Вн на низких частотах модуляции, так и высокочастотная граница. Уменьшить значение η_вн можно увеличением степени легирования и уровня инжекции. Так, в СИД торцевого типа удается получить в 4 раза большую полосу модуляции (100 МГц) по сравнению с СИД с поверхностным излучением без снижения квантовой эффективности.

Всем параметрам СИД присуща деградация — постепенное уменьшение мощности излучения при длительной эксплуатации.

Полупроводниковые лазерные диоды являются когерентными источниками света. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования многослойных полупроводников гетероструктур с односторонним (ОГС) и двусторонним (ДГС) ограничением, в которых удается снизить величину Iп до 1... 2А/см².;

Если увеличить ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3...5 мкм. По мере увеличения тока «загораются» все больше, таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие лазерные диоды называются лазерами с полосковой геометрией. В них /_п уменьшается до 500 мА/см², излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в оптическое волокно с малой числовой апертурой NA, и повысить стабильность излучения.;

К числу основных характеристик лазерных диодов, определяющих возможность их использования в системах связи и передачи информации, относятся: мощность излучения и ее зависимость от тока накачки, диаграмма направленности излучения, спектр излучения и срок службы.

При малых токах накачки (рис. 8.17) происходит спонтанная излучательная рекомбинация и наблюдается спонтанное излучение. Когда потери в структуре становятся сравнимы с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное излучение. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного излучения с помощью изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.

Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и соответственно выходной оптической мощности лазера. Отметим еще одну существенную особенность, присущую ЛД; при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперной характеристики. Это приводит к изменению порогового тока и выходной мощности. Для устранения-этого недостатка используются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника

Диаграмма излучения лазера несимметрична, lie ширина, измеряемая па уровне половинной мощности, менее 20° в плоскости,- параллельной переходу, и более 40° в перпендикулярной плоскости (рис. 8.18, а). Па рис. 8.18,6 показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях Q_x и Q y.

• Как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом (т|), характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический ток. Этот коэффициент называется к в а н то в о й эффективностью (выходом) фото детектору

Таким образом, в общем случае средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением I=nqP/hf

наружу через отрезок оптического волокна, к которому, в свою очередь, присоединяется внешнее оптическое волокно. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микроэлектронную схему (преобразователь «напряжение— код»), управляющую током в цепи питания светодиода.

Приемные оптические модули. Основным элементом приемных оптических модулей (ПрОМ) является фотодиод, который играет роль фотодетектора. Функция детектора ВОСП сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприемника. фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительно шума, т. е. обладать требуемыми широкополосностю, динамическим диапазоном II чувствительностью, решить небольшие, но достаточные размеры для надежного соединения с волокном быть нечувствительным к изменениям параметров внешней среды, иметь большой срок службы и минимальную стоимость. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.

Принцип действия полупроводникового фотодиода основан па внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару новых.носителей заряда — электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переводит его из- валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение) или же с примесного уровня в зону проводимости (приемное поглощение). Такие переходы изменяют электрические характеристики полупроводника, создавая условия формирования электрических сигналов. Высокое быстродействие и эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связаны с эффектом примесного поглощения. По этой причине фотодетекторы для ВОСП в настоящее время выполняются на основе материала. На рис. 821 приведена зависимость квантовой эффективности для германиевого и кремниевого фотодиодов от длины волны. Для преобразования электронно-дырочной пары энергия hf поглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т. е. необходимо выполнение условия hf>-&Eq.

Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длине волны до 1,8 мкм, из кремния—до 1,2 мкм, из арсенида галлия — до 0,87 мкм.

Основными характеристиками фотодиодов наряду с квантовой эффективностью являются постоянная времени и чувствительность.

Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие и зависит от многих параметров: подвижности носителей заряда, ширины обедненной зоны, длины волны света, а также от того, движутся ли носители заряда под действием электрического поля или вследствие диффузии. Зная постоянную времени фотоприемника т, можно определить ширину пропускания фотодетектора: Д/„_Р = 0,4/т. Таким образом, чем меньше т, тем больше полоса пропускания/

Постоянная времени фотодиода зависит от времени диффузии и времени перехода обедненной зоны. Поэтому важными параметрами являются толщина р-слоев и р—n -перехода. Общая тенденция заключается в уменьшении толщины п- и р-областей и увеличении обедненной области. При этом возрастает также квантовая эффективность.

Толстый обедненный слой может создаваться различными способами, чаще всего слабым легированием части р- или «области, которые делаются более толстыми в этом случае, либо введением специального слабо легированного»-слоя или слоя типа л собственно полупроводника

Чувствительность фотоприемника — это полный КПД преобразования световой мощности в электрический ток (отношение среднего значения фототока к среднему значению оптическом мощности): S — I/P, A/Bt. C учетом (8.1) S= η q/(hf). Отсюда следует, что чувствительность фотоприемника тем выше, чем больше квантовый выход ц, т. е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне.

Наибольшее распространение в волоконно-оптических системах получили фотодетекторы на основе р — i —n-фотодиодов (PIN) и лавинные (ЛФД).

На выходе ФД в зависимости от мощности оптического сигнала протекает фототок, определяемый выражением (8.1). В общем случае фототок состоит из отдельных носителей с зарядом q. Каждый носитель заряда вызывает импульс, длительность которого равна времени пробега носителя между электродами. Поэтому на постоянный либо изменяющийся с оптическим сигналом фототок накладываются нерегулярные колебания, чьи спектральные составляющие и полосе В при частоте модуляции имеют средне-квадратическое значение 2д^г/|Г(о>)²!В. Множитель |Г(ω)|² описывает ослабление колебаний из-за дрейфа носителей и для времени дрейфа τд определяется выражением Г(v)=(1-e^Ivt)/(ivt_д)

Таким образом, нерегулярные колебания приводят к дробовым шумам. Спектральное распределение этих шумов — равномерное вплоть до частоты f=\[ip,\ только на более высоких частотах они уменьшаются из-за конечного времени дрейфа. Однако этот же эффект приводит к ослаблению сигнала в той же степени.

Дробовые шумы сопровождают не только фототок / принимаемого оптического потока, но и фототок /_Р рассеянного света,, который большей частью подается одновременно в виде фонового излучения. Кроме того, дробовые шумы вызываются темповым током, создаваемым термически возбужденными носителями заряда.

В лавинных фотодиодах происходит усиление тока в М раз, его флуктуации также умножаются как минимум в той же мере. В этом случае среднее значение квадрата флуктуации 7²_и = 2</(/ + + /р+/_т) |Г(<о) |²B|/Vf(_(l)) \²F. Здесь М(ы) обозначает усиление переменного тока, определяемое для лавинных фотодиодов выражением М(ы)=М₀/(1 + кот). Коэффициент F учитывает увеличение дробовых шумов из-за нерегулярного характера умножения носителей заряда.

Рис. 8.22. Принципиальная схема ПрОМ г. подключением фотодетектора к усилителю (и) и с трансимпендансным усилителем (6) и цифровых (2) сигналом

Усиление тока не остается постоянным во времени, а флуктуирует в зависимости от вида процесса умножения. При лавинном умножении в фотодиодах флуктуации усиления тока тем значительнее, чем больше усиление. В соответствии с этим дополнительные шумы также возрастают с усилением тока. Для лавинных фотодиодов функция Г(М) хорошо аппроксимируется степенным законом F = M^X. Показатель экспоненты находится в диапазоне л' = (),4... 1. Для германиевых диодов *=1, в то время как для кремниевых диодов v = 0,5, если в лавинную зону инжектируют преимущественно электроны. При инжекции дырок в лавинную зону кремниевых диодов показатель экспоненты увеличивается до дг= 1. Таким образом, и оптических приемниках использование фотодиодов приводит к тому, что значение шума зависит от сигнала. Эта особенность принципиально отличает приемники ВОСП от приемников классических систем передачи.

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p—i —n-фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены принципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением фотодетектора к усилителю (схема «прямой линии») и с траисимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через' сопротивление R_o._c.

При использовании ЛФД и качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, потребует наличия в модуле блока автоматической регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напряжение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряжение рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения р—i—n -диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.