ВОЛС

Лабораторная работа №16
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ
Цель работы – изучение физических процессов, происходящих в волоконнооптической линии связи, изучение процессов модуляции и
демодуляции оптического излучения.
Подготовка к работе – занести в рабочую тетрадь:
1) название и цель лабораторной работы;
2) основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе
на контрольные вопросы.
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Главными показателями качества волоконно-оптической линии связи
(ВОЛС) являются:
– полоса пропускания тракта, определяющая объем информации, которая
может быть передана по нему;
– отношение мощности сигнала к мощности шума (С/Ш) на выходе фотоприёмника.
Оптимальные значения этих показателей обеспечиваются только при
рациональном выборе всех составляющих ВОЛС к которым относят: источник
излучения, приёмник излучения, оптические волокна и стыковочные элементы
оптического тракта, объединяющие все названные составляющие в единую
систему.
Каждая
из
составляющих
ВОЛС
имеет
целый
ряд
собственных
качественных показателей. Поэтому оптимальное сочетание всех составляющих
ВОЛС представляет собой сложную инженерную задачу, которая по силам только
специалистам высокой квалификации, хорошо разбирающимся в тонкостях
3
физических процессов, протекающих во всех элементах ВОЛС. Остановимся на
этом более подробно.
Все ВОЛС можно разбить на два класса: аналоговые и цифровые. В
настоящее время аналоговые линии не получили широкого распространения из-за
жёстких ограничений по линейности характеристики их тракта. Обычно они
используются
при
создании
пропускания
должна
сетей
обеспечивать
кабельного
возможность
телевидения.
Полоса
одновременной
их
передачи
десятков телевизионных каналов, а необходимое отношение сигнал-шум (С/Ш) –
порядка 55дБ.
Для цифровых линий связи, которые наиболее широко используются на
практике, величина отношения С/Ш может быть существенно меньше и
составляет примерно 23дБ. В настоящее время работают линии, обеспечивающие
скорость передачи 100МБит/с, 622МБит/с. Проводятся разработки по созданию
функциональных устройств, позволяющих обеспечивать и более высокие
скорости передачи. Вместе с тем, находят применение и линиям, по которым
передаются малые объёмы информации.
Как правило, в качестве источников оптической мощности цифровых линий
связи, в силу малых габаритов, используются полупроводниковые излучатели. В
полупроводниковых излучателях модуляция осуществляется за счёт изменения
тока накачки. При этом в соответствии с модулирующим сигналом меняется
оптическая
мощность,
т.е.
осуществляется
модуляция
интенсивности.
В
аналоговых системах передачи это приводит к появлению существенных
нелинейных искажений за счёт того, что ватт-амперная характеристика источника,
как правило, существенно нелинейная. Для их уменьшения приходится снижать
глубину модуляции оптической несущей, что соответствует неэффективному
расходованию оптической мощности, созданной источником.
4
2 ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ
Оптические световоды бывают двух типов – волоконные и планарные
(плоские). Планарные световоды – тонкие узкие прозрачные полоски на пластинах
из ниобата лития, арсенида галлия и других материалов. Протяженность таких
световодов – доли сантиметра, они выполняют главным образом роль
межсоединений в оптических и оптоэлектронных микросхемах.
Волоконные световоды представляют собой тонкие цилиндрические нити,
изготовленные
из
материала,
прозрачного
для
применяемого
излучения.
Волоконные световоды служат волноводами в линиях связи протяженностью от
сантиметров до сотен и тысяч километров.
Рисунок 1 – Изменение показателя преломления по поперечному сечению и
ход лучей в ступенчатом (а) и градиентном (б) световодах
Структура волокна может быть ступенчатой или градиентной (рисунок 1). В
волокне показатель преломления сердцевины n1 должен быть выше показателя
преломления оболочки n2 . Тогда луч света в материале сердцевины удерживается
за счет явления полного внутреннего отражения. В ступенчатом волоконном
световоде показатель преломления на границе сердцевина – оболочка изменяется
скачком. В градиентных световодах профиль изменения показателя преломления
близок к параболическому:
2

r 
n r   n1 1  2  ,
 a  

(1)
5
где
1  n 2  n  n2
  1  22   1
;
2  n1 
n1
а – радиус сердцевины;
r
– расстояние от оси волокна.
Лучи, распространяющиеся в сердцевине под углами    z  c по
отношению к его оси (рисунок 1, а), будут испытывать полное внутреннее
отражение на границе сердцевина – оболочка, где
 n
n 
 C  arcsin  2   arccos1 
 n1 
 n
2
2
2
1
1
2

 –

(2)
угол полного внутреннего отражения.
Каждому значению  соответствует свое значение угла падения луча на
торец световода. Угол А, при котором луч еще будет распространяться в
сердцевине световода под углом кр, называется апертурным углом световода. Его
значение можно указывать в градусах, но чаще всего его характеризуют
величиной числовой апертуры:
NA = n0sinА,
(3)
где n0 – показатель преломления среды, из которой падает луч на торец световода. Если световод окружен воздухом, то n0 =1 и NA = sinА .
Можно показать, что для ступенчатого световода
NA =
n12  n22 .
(4)
Числовая апертура градиентного волокна зависит от точки входа луча в
световод. Она максимальна, если эта точка лежит на оси и равна:
NA =
2
nmax
 n22 ,
где nмах – значение показателя преломления на оси.
Для ступенчатых волоконных световодов числовая апертура обычно равна
0,18 – 0,23, а для градиентных – 0,13 – 0,18.
6
Основные свойства ступенчатых и градиентных оптических световодов можно
понять исходя уже из соображений геометрической оптики и представления
траектория лучей прямолинейными или криволинейными отрезками. Строгий же
анализ распространения излучения по волноводу осуществляется исходя из
уравнений Максвелла. На основе такого анализа можно показать, что по одному
световоду одновременно может распространяться только определенный дискретный
набор электромагнитных волн – мод. Мода(тип волны) определяется сложностью
структуры, т.е. числом максимумов и минимумов в поперечном сечении. Мода
обозначается двумя числовыми индексами n и m (Еnm и Hnm). Индекс n обозначает
число полных изменений поля по окружности световода, индекс m – число
изменений поля по диаметру. В волновом фронте каждой моды колебания имеют
одинаковую фазу. Волны, соответствующие лучам, траектории которых образуют
малые углы с осью световода, называются модами низких порядков, а большие углы
– модами высоких порядков. Основная мода распространяется почти точно вдоль оси
световода. Эти моды имеют различную групповую скорость, поэтому, возбуждаясь
одновременно на входе, они разделяются при распространении в световоде, так что
на выходе между ними образуется временной сдвиг (дисперсия мод). Следовательно,
при распространении короткого импульса в ступенчатом многомодовом световоде
ширина его возрастает. На практике при распространении света в волокне из-за
изгибов и микронеоднородностей между модами возникает взаимодействие,
происходит обмен энергией между медленной и быстрой модами, и временной сдвиг
между модами несколько уменьшается.
В многомодовом ступенчатом световоде имеется связь между шириной
полосы пропускания ΔF и протяженностью распространения излучения L:
ΔFL 
c
,
n1
(5)
где с – скорость света;
 – параметр, отражающий степень связи между модами.
7
1
2
Если связь между модами отсутствует, то  = 1, при полной связи  = . При
 = 1, n11,5 и ∆=1% полоса пропускания многомодового ступенчатого световода
будет ΔFL 20МГц/км.
Существенно большая полоса пропускания оказывается у градиентного
световода. В нём моды низшего порядка распространяются по короткому пути,
зато в области с большим показателем преломления, что уменьшает групповую
скорость. Моды высшего порядка распространяются криволинейно по большому
пути (в соответствии с рисунком 1, б), но в периферийной области, где показатель
преломления принимает меньшее значение. Поэтому их групповая скорость выше.
В итоге, групповые скорости различных мод примерно одинаковы и временное
расширение светового импульса в градиентном световоде невелико, полоса
пропускания
его
существенно
выше.
При
оптимальном
параболическом
распределении показателя преломления сердцевины для градиентного волокна
справедливо:
ΔFL  2
c
.
n12
(6)
При n1=1,5, ∆=1% получаем ΔFL = 4ГГц/км, что на два порядка больше, чем
в многомодовом ступенчатом световоде. То есть градиентные световоды можно
применять для передачи широкополосного сигнала на достаточно большие
расстояния.
Число мод N в световоде всегда конечно и может быть рассчитано. Для
ступенчатого световода:
N=
2 2 a 2

2
n
2
1
 n22 .
(7)
8
Для градиентного световода при nмах= n1 число мод будет в два раза меньше.
Различают волоконные световоды одномодовые (N = 1) и многомодовые, по
сердцевине которых могут распространяться сотни и тысячи мод. Световод будет
одномодовым, если:
2 a

n12  n22  2,405.
(8)
Для многомодовых световодов 12,5мкм < a < 100мкм; 0,01 < ∆ < 0,03; а для
одномодовых световодов 2мкм < a < 5мкм; 0,003 < ∆ < 0,01. По существующему
международному стандарту для средств связи принято, что диаметр оболочки
световода должен быть равен 125мкм, диаметр сердцевины многомодового и
градиентного волокна 2a=50мкм, одномодового волокна – 2a8–10мкм. Оболочка
изготавливается из кварцевого стекла (SiO2) с n = 1,45, а сердцевина из кварцевого
стекла с добавками GeO2 и P2O5 и имеет показатель преломления на 1% выше в
многомодовых волокнах и на 0,3% выше – в одномодовых.
Поскольку в одномодовом волокне распространяется только одна мода, то
дисперсия мод не проявляется. Однако при этом остаётся спектральная дисперсия
материала световода (рисунок 2) – зависимость показателя преломления кварца от
длины волны, и дисперсия конструкции волновода (волноводная дисперсия).
Последняя обусловлена тем, что основные моды для различных длин волн по
разному спадают по интенсивности в оболочке. Соответственно эффективные
показатели
преломления
для
них
оказываются
несколько
отличными.
Спектральная и волноводная дисперсия присутствует и в многомодовых
световодах, но модовая дисперсия намного превышает их. Поэтому именно она
определяет ширину полосы многомодовых световодов. В одномодовом же
световоде ширина полосы определяется спектральной дисперсией материала, т.к.
она намного превышает волноводную дисперсию.
9
Рисунок 2 – Спектральные характеристики потерь (сплошная линия) и модуль
дисперсии (пунктирная линия) в кварцевом волоконном световоде
Из рисунка 2 видно, что на λ  1,3мкм дисперсия материала почти равна
нулю. Понятно, что это позволяет получить очень широкую полосу пропускания.
Потери на поглощение здесь также сравнительно невелики. Минимальные потери
(0,2дБ/км или 5% на 1км) наблюдаются в тщательно очищенном кварцевом
волокне на λ  1,55мкм, но дисперсия кварца при этом отлична от нуля. Уширение
импульса здесь будет определяться шириной спектра излучения источника.
Поэтому, используя полупроводниковый лазер с хорошей монохроматичностью,
на этой длине волны можно обеспечить связь на большие расстояния и с высокой
пропускной способностью. В настоящее время для одномодовых волокон
типичные ΔFL (λ  1,3мкм) = 1000ГГц/км; ΔFL (λ  1,55мкм) = 200ГГц/км.
10
3 ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
В волоконно-оптических системах связи применяются источники излучения
двух видов: светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД) –
полупроводниковые лазеры. Как в СИД так и в ЛД генерация света обусловлена
рекомбинацией электронов и дырок, результатом которой является образование
фотонов.
СИД и ЛД изготавливаются из полупроводниковых материалов типа АIII В
(арсениды и фосфиды галлия, индия и алюминия). В СИД используется
спонтанное, а в ЛД вынужденное излучение при рекомбинации электронов и дырок, инжектируемых в область p-n-перехода. Путём изменения тока инжекции
можно менять интенсивность света на выходе прибора, т.е. простыми средствами
осуществлять оптическую модуляцию (прямая модуляция), что является одной из
главных причин использования СИД и ЛД в системах связи.
Длина волны света, излучаемого СИД и ЛД, зависит от ширины
запрещённой зоны полупроводника. Для GaAs λ  900нм. При добавлении к GaAs
примеси алюминия λ уменьшается и может составить 780нм.
Для получения света с λ  1,3мкм используют материалы InP, GaInAsP.
В СИД часто применяется структура с гомопереходами, что упрощает
конструкцию и снижает стоимость, в ЛД обычно используется двойная
гетероструктура, что снижает пороговые токи генерации и облегчает тепловой
режим диода.
3.1 Двойные гетеропереходы
Двойная гетероструктура широко применяется в источниках света для
систем связи. На рисунке 3 показаны энергетические уровни P-n-N двойной
гетероструктуры, полученной путём добавления к гетероструктуре n-N ещё одной
области P с широкой запрещённой зоной.
11
а – энергетическая диаграмма; б – распределение показателя преломления n по
слоям структуры
Рисунок 3 – Упрощённая зонная диаграмма уровней энергии электронов
двойной гетероструктуры при прямом смещении.
Отличительной особенностью двойного гетероперехода является не только
односторонняя инжекция электронов, но и односторонняя инжекция дырок,
обусловленные потенциальными барьерами ΔЕп и ΔЕв , возникающими из-за
скачка потенциалов на границах разделов. Поэтому при приложении к двойной
гетероструктуре прямого смещения, т. е. при пропускании через него тока –
электроны и дырки проникаютв активную область 1 из прилегающих пассивных
областей 2 и 3. В области 1, вследствие локализации носителей, устанавливается
более высокая и однородная их концентрация и более высокая скорость
рекомбинации, сопровождающаяся излучением света.
12
3.1 Светоизлучающий диод
В
СИД
излучение
выводится
наружу
обычно
в
направлении,
перпендикулярном плоскости электронно-дырочного перехода (рисунок 4).
1
а) излучение на 0,83мкм
2
1) волоконный световод
2) металлический контакт
3) GаAs n+-типа
4) AlGаAs n-типа
5) GаAs p-типа (активный слой)
6) AlGаAs p-типа
7) GаAs p+-типа
8) SiO2
9) металлический контакт
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
б) излучение на 1,3мкм
1) волоконный световод
2) сферическая микролинза
3) металлический контакт
4) подложка (InP n-типа)
5) InP n-типа
6) GaInAsP p-типа (активный слой)
7) InP p-типа
8) GaInAsP p+-типа
9) SiO2
10) GaAs p-типа
11) контакт диаметром 10-50мкм
Рисунок 4 – Конструкция СИД с излучением
В подложке прибора вытравлено углубление, куда вставляется оптическое
волокно,
для
того,
чтобы
уменьшить
толщину
поглощающего
слоя
полупроводника, через который должно пройти генерируемое в активном слое
излучение. Для повышения эффективности ввода излучения в волокно в
углубление может быть помещена сферическая микролинза (рисунок 4, б).
Применяются также СИД с выводом излучения параллельно поверхности p-n
перехода через боковую грань прибора. Это уменьшает размеры сечения пучка и
повышает эффективность ввода света в волокно. Следует отметить, что СИД не
13
очень чувствительны к перегрузкам, обладают хорошей линейной зависимостью
между выходной мощностью излучения и током инжекции (рисунок 5).
Спектр излучения СИД представляет собой гладкую кривую (рисунок 6);
ширина спектра относительно велика (50–100нм), типичный ток инжекции 100–
Рвых, мВт
200мА, выходная мощность 1–5мВт.
8
7
6
1 – излучающая площадка
расположена параллельно плоскости перехода
2 – излучающая площадка
расположена на боковой
грани прибора
1
2
4
2
1
0
100 200 300 400 500 I, мА
Рисунок 5 – Зависимость выходной мощности от тока инжекции для СИД двух
типов
0
Рисунок 6 – Спектры излучения СИД
14
Лазерные диоды позволяют получить излучение более высокого качества и
обеспечить лучшую эффективность ввода его в световод.
В СИД объём области, в которой происходит излучательная рекомбинация,
относительно велик (десятки тысяч кубических микрометров). В ЛД активная зона
во много раз меньше: поперечное сечение 0,5–2мкм2 при протяженности 300–
500мкм. Поэтому концентрация инжектированных носителей велика, что
обеспечивает возникновение стимулированного излучения.
1 – металлизированный
слой
2 – GaAs р+-типа
3 – AlGaAs P-типа
4 – GaAs р-типа(активный
слой)
5 – AlGaAs N-типа
6 – подложка GaAs n+-типа
7 – конус распространения
излучения
8 – оптическое волокно
Рисунок 7 – Типичная структура ЛД
Типичная структура ЛД показана на рисунке 7. Активная зона GaAs р-типа
заключена между двумя горизонтально расположенными слоями AlGaAs,
показатель преломления для которых ниже, чем для GaAs. То есть активная зона
приобретает свойства ступенчатого световода, торцы которого ограничены с
обеих сторон зеркальными гранями, получающимися при сколе кристалла
(оптический резонатор). Чтобы в активной области обеспечить высокую
концентрацию носителей, заштрихованные на рисунке 7 участки объёма делают
плохопроводящими с помощью бомбардировки их протонами.
При токе инжекции, превышающем пороговый Iп, вдоль активного слоя
возникает генерация стимулированного излучения. До этого тока существует
только слабое спонтанное излучение – большая часть его поглощается в толще
15
ЛД, так как оно не носит направленный характер. Поэтому типичная зависимость
выходного излучения в ЛД от тока, в отличие от СИД, носит пороговый характер
(рисунок 8). Пороговый ток обычно составляет 50–150мА.
2
Р
1 – для СИД
2 – для ЛД
1
а
bc
d e f I
спонтанное
стимулированное
излучение
In
излучение
Рисунок 8 – Зависимость интенсивности света от тока инжекции
Расходимость выходного излучения в ЛД значительно меньше, чем в СИД,
но по сравнению с другими типами лазеров она сравнительно велика. Сечение
пучка получается эллиптическим с максимальной расходимостью в направлении,
перпендикулярном к p-n-переходу в 30–600, а вдоль перехода – 20–400.
В обычном ЛД генерируется одновременно несколько мод (рисунок 9): 10–
20 на λ = 0,85мкм и 5–6 мод на λ = 1,3мкм. Спектральная ширина каждой моды
примерно 0,2нм (80ТГц) при общей ширине полосы 1,2ГГц.
16
Рисунок 9 – Спектры излучения многомодовых лазерных диодов
Однако, используя специальные конструкции ЛД с селективными и со
связанными отражателями (рисунок 10), можно выделить одну моду, обеспечив
таким образом одночастотный монохроматический режим работы лазера.
1 – решетка; 2 – активная область; 3 – внешний световод; 4 – оптический вывод;
5 – активный слой; 6 – скрытый слой; 7 – световодный слой; 8 – резонатор 1;
9 – резонатор 2
Рисунок 10 – Типы одномодовых лазеров
17
Селективное отражение определенной длины волны можно достигнуть в
конструкции (рисунок 10, а), где по обеим сторонам активной области
формируется гофрированный слой с избирательным коэффициентом отражения в
зависимости от λ – лазер с распределенными брэгговскими зеркалами (РБЗ-лазер),
либо гофр может быть нанесен на саму активную область (рисунок 10, б) –
распределенная обратная связь (РОС-лазер). В конструкции, показанной на
рисунке 10, в, соединены два лазерных резонатора различной длины (С3-лазер).
Здесь генерация возникает только на той длине волны, которая образует
собственную моду и для одного и для другого резонатора. Одномодовые лазеры
обеспечивают наибольшую пропускную способность ВОЛС.
4 ФОТОПРИЁМНИКИ
Наиболее широко в оптических линиях связи в качестве фотодетекторов
применяются полупроводниковые фотодиоды (ФД), а вернее их разновидности:
p-i-n- и лавинные фотодиоды.
Принцип
действия
ФД
основан
на
внутреннем
фотоэффекте
(фотогальванический эффект). Как видно из рисунка 11, электроны и дырки,
образовавшиеся при поглощении света, под действием градиента потенциала в
p-n-переходе, разделяются, собираясь в n- и p-областях.
p
n
hν
EF
hν
eVL
hν
Рисунок 11 – Принцип действия фотодиода
18
В обычном ФД большинство носителей создаются именно в n- и p-областях,
и они за счёт сравнительно медленной диффузии перемещаются к области
перехода. Это занимает значительное время и часть неосновных носителей при
этом
рекомбинирует,
что
снижает
быстродействие
и
квантовый
выход
фотодиодов. Носители, созданные в области перехода, разделяются намного
быстрее, поскольку здесь существует сильное электрическое поле и разделение
зарядов происходит за счёт электрического дрейфа. Для улучшения разделения
зарядов и повышения быстродействия к фотодиоду целесообразно прикладывать
обратное напряжение, при этом величина разделяющего поля в переходе
возрастает. В диоде, на который подано обратное напряжение, всегда между
областями с n- и p-проводимостью имеется так называемая i-область (intrinsic –
собственный). В этой области n- и p-примеси как бы компенсируют друг друга,
т.е. здесь полупроводник обладает только собственной проводимостью, которая
намного меньше примесной проводимости. Поэтому здесь в основном и падает
приложенное извне напряжение, действует сильное электрическое поле. Величина
подаваемого обратного смещения обычно несколько десятков вольт.
Быстродействие фотодиода зависит от толщины i-слоя, времени дрейфа
носителей через i-область, а также собственной ёмкости p-n-перехода. Для
увеличения быстродействия i-область намеренно делают более широкой, так,
чтобы большинство фотонов поглощалось именно в этой области. Такие
фотодиоды называются p-i-n-фотодиодами. В них ширина i-области достигает 2–
3,5мкм (рисунок 12, а). В результате уменьшается ёмкость перехода, повышается
чувствительность
существенно
фотодиода,
увеличивает
скорость
разделения
быстродействие
ФД.
носителей.
Квантовый
Все
выход
это
также
возрастает, так как разделение зарядов успевает произойти до того как случиться
рекомбинация. Для лучших типов p-i-n-фотодиодов квантовая эффективность
составляет 60–70%, а чувствительность 0,6А/Вт.
Если
требуется
еще
более
высокая
чувствительность
регистрации
фотосигналов, то в этом случае применяют лавинные фотодиоды (ЛФД), в
19
которых используется принцип лавинного размножения зарядов путём ударной
ионизации, когда электрон, образовавшийся при поглощении фотона, разгоняется
под действием сильного электрического поля, отщепляет от атома новый
электрон, создавая еще одну электрон-дырочную пару и т.д. С этой целью рядом с
p-n-переходом создают область с высоким значением Е>105В/см – область
лавинного умножения (рисунок 12, б).
p+
Р0
p-
n+ p+ p
P0
p+
p-
E
i
- +
V2
hν
RL
E
E
RL
- +
V2
обедненный
слой
hν
E
обедненный
слой
диффузия
eVR
умножение
носителей
hν
hν
еVR
область дрейфа
Ударная ионизация
диффузия
диффузия дырок
диффузия электронов
диффузия
дырок
а) p-i-n фотодиод
Е – напряжённость
Р0 – интенсивность падающего
света
eVR – приложенное напряжение
область
дрейфа
область
лавинного
умножения
диффузия
электронов
б) лавинный фотодиод
Рисунок 12 – Принцип действия фотодиодов
20
Коэффициент умножения может быть представлен формулой:
M
1
V 

1  

 Vnp 
m
(9)
,
где V – напряжение смещения;
Vпр – напряжение пробоя;
m = 1,5 – 4 для кремния и m = 2,5 – 9 для германия.
При приближении Vсм к Vпр коэффициент умножения может достигать 100.
Но М очень чувствителен к изменениям напряжения и температуры. Поэтому в
схемах смещения ЛФД необходимо предусматривать меры стабилизации этих
величин.
Область спектральной чувствительности зависит от типа полупроводника,
используемого в фотодиодах. Характеристики спектральной чувствительности
наиболее распространённых полупроводников представлены на рисунке 13.
Рисунок 13 – Спектральная чувствительность фотоприемников
21
5 ИЗУЧАЕМАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ
5.1 Электрическая схема и конструкция
Изучаемая линия связи (рисунок 14) состоит из передающего модуля
(ПОМ), оптического волокна и приёмного модуля (ПРОМ). ПОМ предназначен
для преобразования последовательности электрических импульсов с частотой
следования от 10кГц до 17МГц, задаваемых импульсным генератором, в
последовательность импульсов оптического излучения.
Рисунок 14 – Схема изучаемой ВОЛС
Схема ПОМ представлена на рисунке 15. Диод VD1 предохраняет схему при
неправильном подключении к источнику питания. Резистор R1=100Ом служит для
согласования по входу.
22
Рисунок 15 – Схема передающего оптического модуля
На ВЧ вход ПОМ поступают электрические импульсы. В зависимости от
формы импульса логическая микросхема КР1533ЛН1, которая выполняет
функцию модулятора, подает сигнал на лазер ИЛПН – 206. Лазер излучает свет на
длине волны λ=1,3мкм при средней мощности излучения Рср250мВт. Резистор
R2=200Ом служит для выбора рабочей точки на линейном участке ватт-амперной
характеристики лазера и является ограничительным сопротивлением в цепи
питания лазера.
К ПОМ подключено одномодовое оптическое волокно марки «Сorning 28
SMF». Пройдя по световоду, сигнал попадает на ПРОМ (рисунок 16).
ПРОМ состоит из:
- схемы высокочастотной нагрузки фотодода 1;
- схемы предварительного усиления фотодиода 2;
- схемы формирования импульсов 3;
- схемы подстройки уровня сигнала формата ТТЛ 4.
23
Рисунок 16 – Схема приёмного оптического модуля
В качестве фотодетектора VD1 используется p-i-n-фотодиод PD1375,
который преобразует световой сигнал в электрический. ФД включён в обратном
направлении, так как это снижает барьерную емкость p-n-перехода. Высокоомная
нагрузка ФД R1 повышает фототок, который преобразуется предварительным
усилителем в выходное
напряжение. Резисторы R2 и R3 восстанавливают
скважность импульса. Логическая микросхма КР1533ЛН1 усиливает сигнал,
поступающий от ФД. Резисторы R4, R5, R6 и R7 служат для регулировки фронта,
среза и скважности выходного импульса. Подстройка уровня сигнала формата
ТТЛ осуществляется с помощью диода VD2, резисторов R7 и R8. Конденсаторы
С1 и С2 осуществляют развязку цепи питания по высокой частоте.
6 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
В работе наблюдают изменение амплитуды и формы оптического сигнала
при прохождении его через протяженный отрезок оптического волокна, для чего
используется экспериментальная установка, структурная схема которой показана
на рисунке 14. Измеренная с помощью прибора FOD-1204 выходная мощность
передающего модуля составляет около 1 мВТ. Наблюдение формы импульсов,
24
генерируемых генератором Г5-54 производится с помощью осциллографа С1-55.
В схеме используются источники питания ВСП-50.
7. УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ
ВНИМАНИЕ!
При подготовке рабочего места необходимо руководствоваться правилами,
изложенными в разделе “К” инструкции ”Техника безопасности при работе с
радиоэлектронным
оборудованием”
и
“Правила
техники
безопасности
и
производственной санитарии в производстве радиоаппаратуры проводной связи”.
В остальном руководствоваться “Инструкцией по технике безопасности для
студентов в учебной лаборатории”, предварительно изучив её.
Изучить раздел “Указание мер безопасности” в “Техническом описании и
инструкции по эксплуатации” к каждому прибору, входящему в установку, и
руководствоваться им при работе.
8 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
Ознакомиться
с
приборами,
входящими
в
состав
установки,
по
“Техническому описанию и инструкции по эксплуатации” к каждому из приборов.
Собрать рабочее место для измерения выходной оптической мощности
оптического передатчика в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 14.
1) включить осциллограф С1-55 и установить ручку «Время/дел.» в положение «0.2ms», ручки «Вольт/дел.» в положение «2V»;
2) включить генератор Г4-54. Установить частоту следования импульсов
8МГц, временной сдвиг на «0», длительность импульса на максимально
возможное значение, амплитуду – на значение «20V»;
3) включить блок питания передающего модуля.
25
ВНИМАНИЕ!
Оптические разъёмы соединяйте и разъединяйте вращением гаек, а не самих разъёмов! Действуйте двумя руками, проявляйте аккуратность.
9 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ВЫХОДНОГО
СИГНАЛА
Проведите измерение длительности и амплитуды электрических импульсов
на выходе приёмника для чего:
1. Подключите с помощью оптического соединителя передающий модуль к
оптическому волокну, соединённому с приёмником.
2. Подсоедините к выходу приёмника вход 1 осциллографа С1-55.
3. Подсоедините выход генератора Г4-54 ко входу передающего модуля и
входу 2 осциллографа С1-55.
4. Включите источники питания.
5. Измерьте амплитуду и длительность выходных импульсов на входе передатчика и выходе приёмника при частоте следования импульсов 1, 2,
5, 8, 10, 15, 17МГц.
6. После окончания измерений выключите приборы.
26
10 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты оформить в виде таблицы:
Параметр
f,МГц
Uвх,В
τвх,нс
Uвых,В
τвых,нс
№ п/п
где f – частота следования импульсов;
Uвх,Uвых – амплитуды импульсов на входе передатчика и выхода приемника;
τвх, τвых – длительность входного и выходного импульсов.
Построить график зависимостей: Uвых = F(f); τвых = F(f).
11 УКАЗАНИЯ К СОСТАВЛЕНИЮ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
 все пункты задания;
 структурные схемы лабораторной установки;
 результаты работы, представленные в виде таблиц и графиков;
 выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно).
9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
– В чём преимущество ВОЛС по сравнению с традиционными системами
связи?
– Каковы основные элементы световодной системы связи?
– В чём преимущество цифровой модуляции перед аналоговой?
– Какую длину волны целесообразно применять для сверхдальних ВОЛС и
почему?
– Перечислите типы волоконных световодов.
– В чём преимущества градиентного волокна?
27
– Какие типы дисперсии существуют в волокне?
– В чём сходство и различие между СИД и ЛД?
– Как получить одномодовое излучение в ЛД?
– Расскажите принцип действия p-i-n- и лавинного фотодиодов.
– От чего зависит область спектральной чувствительности фотоприёмника?
– Каковы особенности используемого в работе фотодетектора?
– Поясните назначение элементов структурной схемы исследуемой линии
связи.
– Расскажите принцип действия используемых в работе приборов.
28
ЛИТЕРАТУРА
1. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1990. – 224с.
2. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. – М.: Радио и связь,
1989. – 504с.
3. Оптические сисиемы связи: Учеб. для вузов/Б.А. Скворцов, В.И. Иванов,
В.В. Крухмалёв и др. /Под ред. В.И. Иванова. – М.: Радио и связь, 1994. –
224с.
4. Гордеев И.И. Волоконно-оптические системы передачи данных и кабели: – М.: Радио и связь, 1993. – 350с.
5. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. – 3е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1981. – 431с.
6. Гребнев А.К.
и
др.
Оптоэлектронные
элементы
и
устройства/
А.К. Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев. /Под ред. Ю.В. Гуляева. –
М.: Радио и связь, 1998. – 336с.
7. Иванов А.Г. Волоконная оптика: Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Компания Сайрус системс, 1999. – 327с.
8. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 1998. –
267с.
9. Семёнов А.Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях
связи. – М.: Компьютер-пресс. 1998. –302.
10.Волоконно-оптическая
техника:
история,
достижения,
перспекти-
вы/Сборник статей под редакцией Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.:
Изд-во «Connect», 2000. – 376с.
29