МИНИСТЕРСТВО  ПО РАЗВИТИЮ  ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ  И  КОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

 

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ МУХАММАДА АЛЬ-ХОРАЗМИЙ

 

 

 

 

                                           Кафедра

      «Телекоммуникационный инжиниринг»

 

 

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

для выполнения проведения лабораторных работ

 

по дисциплине

 

«ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ»

 

для студентов, обучающихся по направлению образования

5350100 - “Телекоммуникационные технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ташкент 2020

 

Авторы:   Г.Х. Миразимова,

                 Х.Р. Давлетова

 

 

 

Методическое указание для проведения

лабораторных работ по дисциплине

«Оптические системы связи»

ТУИТ,  Ташкент 2020 г., 168 стр

 

 

 

Цель методического указания – изучить студентов предмету "Оптические системы связи".

В методическом указании приведены структура устройств и последовательность процесса работы.

         В методическом указании приведены цель, содержания каждой работы, процесс выполнения лабораторной работы, состав отчета, контрольные вопросы,  теоретическая часть, общее описание лабораторной установки и список использованной литературы.

Методическое указание рассмотрено научно-методическим советом ТУИТ и рекомендовано публикации на основе их одобрения.

 

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         © Ташкентский университет информационных  технологий. 2020 год.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

         Настоящий сборник лабораторных работ посвящен экспериментальному изучению активных и пассивных элементов волоконно-оптических систем связи находящих всё более широкое применение благодаря своим специфическим свойствам – широкой полосы пропускания, помехозащи-щенности, малым размерам, относительно малой стоимости и т. д. в телефонии, кабельном телевидении, в бортовой связи воздушных и подводных кораблей, в локальных и абонентских сетях, в управлении технологическими процессами.

         В нем приведены цели и задачи лабораторных работ, описание оборудований, применяемых при их выполнении, методические указания по выполнению лабораторных работ на занятиях с объёмом 36 часов:

1-ая лабораторная работа  «Оптические волокна. Типы и характеристики оптических волокон. Геометрические и физические параметры оптических волокон. Определение числовой апертуры экспериментальным путем»;

         2-ая лабораторная работа «Изучение сравнительных ватт-амперных характеристик светового диода и лазерного диода»;

3-ая лабораторная работа «Исследование вольт-амперных и спектральных характеристик фотоприемника»;

4-ая лабораторная работа «Изучение процесса импульсной модуляции излучения лазерного диода»;

5-ая лабораторная работа «Изучение процесса аналоговой модуляции излучения лазерного диода»;

6-ая лабораторная работа    “Обучение принципам построения оптических систем связи (на основе системы передачи STM-1)”;

7-ая лабораторная работа «Изучение передачи линейных кодов цифровых волоконно-оптических систем»;

8-ая лабораторная работа «Обучение и проверка оптических регенераторов»;

9-ая лабораторная работа «Изучение характеристик и параметров оптических усилителей»;

10-ая лабораторная работа «Моделирование формы сигнала реальной оптической линии связи на приемной станции»;

11-ая лабораторная работа  «Изучение характеристик разъемных оптических соединителей»;

12-ая лабораторная работа  «Изучение характеристик оптических аттенюаторов»;

13-ая лабораторная работа  «Исследование зависимости сравнительного коэффициента затухания, возникающего из-за изгиба волокна от радиуса изгиба»:

Применяемые современные оборудования в лаборатории Основы оптической связи позволяют ознакомление с исследуемыми активными и пассивными элементами волоконно-оптических систем связи, выполнение лабораторных работ по изучению характеристик и параметров базовых оптических и оптоэлектронных элементов: оптического волокна, лазерных диодов и светодиодов, пассивных элементов - аттенюаторов и оптических соединителей, проведение соответствующих расчетных работ и анализ полученных результатов, формирования у студентов навыков и умений по работе с этими элементами в пределах выделенных часов.

Надеемся, что усвоение кратких теоретических сведений к каждой лабораторной работе, приведенных в методических указаниях, способствуют эффективному завершению выполненных лабораторных работ.

 

 

                                                                                                                Авторы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Лабораторная работа №1

 

ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА. ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ

 

1. Цель работы

 

Изучить  конструкции оптических волокон, их типы, характеристики, параметры. Произвести экспериментальное определение числовой апертуры одномодового и многомодового оптического волокна.

 

2. Задание к работе

 

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

         - изучить конструкцию и геометрические параметры оптического волокна;

         - подготовить бланк отчета, где должны быть приведены: структурная схема лабораторного макета, заготовленные формы таблиц для записи данных измерений;

         - изучить литературу: [1] стр. 19-34,  [3] стр. 49-56, [6] стр. 7-20, [8] стр. 37-45.       

   

  3. Порядок выполнения работы

 

Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки.

 В данной лабораторной работе используются следующие элементы (рис.1.1):      -электронный блок «Блок питания оптического источника»; -лазерный диод ЛД или СД; -юстировочные устройства ЮУ1 и ЮУ2; -одномодовое оптическое волокно без защитной оболочки (желтый цвет буферного покрытия) с коннекторами типа FCUPS; -многомодовое оптическое волокно (оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами типа FC - PC; -телекамера без микрообъектива; -черно-белый монитор; -блок выделения строки; -осциллограф.

 

                                    Предварительные замечания

 

При   измерении   числовой   апертуры   оптических волокон   микрообъектив телекамеры должен быть обязательно снят.

Под числовой апертурой NA оптического волокна понимается синус угла φ, под которым луч света, падающий на его торец, испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела сердечник - оболочка. Для ее экспериментального определения исследуется расходимость излучения из торца оптического волокна. На рис.1.1 показан ход крайних лучей, выходящих из торца возбужденного оптического волокна. Угол q, который они составляют с осью оптического волокна, и определяет значение числовой апертуры NA.

Для измерения числовой апертуры анализируется излучение из торца возбужденного оптическим источником оптического волокна. В качестве оптического источника может быть использован лазерный диод ЛД или светодиод СД. Оба источника входят в состав поставляемой аппаратуры.

Выходной торец оптического волокна находится в поле зрения телекамеры и на экране монитора возникает его изображение. Выделение строки изображения с помощью телевизионного осциллографа (смотри описание к предыдущей лабораторной работе) позволяет анализировать распределение интенсивности в его поперечном сечении.

 

 

 

 

 


Рис.1.1. Ход крайних лучей, выходящих из торца возбужденного

оптического волокна

 

На рис.1.2,а показан торец оптического волокна С и лучи 1, 2, ограничивающие световой конус, в котором концентрируется излучение, выходящее из него. Лучи попадают на матрицу ПЗС (М на рис.1.2,а.) телекамеры, с помощью которой формируется телевизионный сигнал. На рис.1.2, а.  отмечен диаметр светового  пятна t,  соответствующий  излучению  из  торца  оптического волокна на расстоянии F от его торца и горизонтальный размер матрицы Т.

Изображение проекции светового конуса на матрицу М наблюдается на экране монитора в виде светлого пятна. С помощью осциллографа и блока выделения  строки может быть выделена одна из  строк телевизионного сигнала. Примерный вид осциллограммы, соответствующей строке, которая приходится на середину пятна, показан на рис. 1.2, б; 1.2, в.

Рис.1.2,б соответствует случаю возбуждения исследуемого оптического волокна с помощью лазерного диода ЛД. Вследствие когерентности его излучения на торце оптического волокна наблюдается интерференционная картина, которая образуется всеми возможными модами (спеклом). В результате осциллограмма, соответствующая светящемуся пятну сильно изрезана, что может помешать проведению измерений.

 

 

 

Рис. 1.2.Торец оптического волокна С и лучи 1, 2, ограничивающие         световой конус), соответствующие случаям возбуждения исследуемого оптического волокна с помощью ЛД (б) и СД (в)

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.2,в соответствует случаю возбуждения исследуемого оптического волокна с помощью светодиода СД. Его излучение некогерентно и интерференция между модами отсутствует.

         Диаметру пятна соответствует размер t, отмеченный на осциллограмме. Горизонтальному размеру матрицы D соответствует на осциллограмме расстояние между соседними строчными гасящими импульсами Т. Размер D для используемой в макете телекамеры известен и составляет D = 40 мм.

         По нему может быть определен реальный размер пятна D путем измерений по осциллограмме величин t и Т:

 

                           d = t *D/T                                                  (1.1)

 

Значение     числовой     апертуры     вычисляется     из     элементарных тригонометрических соображений по измеренному значению расстояния: 

 

                                         NA = SIN(φ ) - d/(√(d2 + D2)).                              (1.2)

      

3.1. Закрепить входной торец многомодового (зеленый цвет защитной оболочки) оптического волокна в узел юстировочного устройства ЮУ1, осуществляющий линейное перемещение (рис.1.15). Для этого выполнить следующие операции:

3.1.1. С помощью микрометрического винта ЛПР1 переместить узел, осуществляющий линейное перемещение, в крайнее левое положение.

3.1.2. Пропустить оптическое волокно через отверстия в платах 2, 3.

3.1.3.Закрепить коннектор FC оптического волокна в оправке 10, повернув фиксирующий винт коннектора.

3.2.Закрепить выходной торец оптического волокна в узел юстировочного устройства ЮУ2, осуществляющий угловое перемещение (рис.1.15). Для этого выполнить следующие операции.

3.2.1.С помощью микрометрического винта ЛПР2 переместить узел, осуществляющий линейное перемещение, в крайнее левое положение.

3.2.2.Отвернуть фиксирующий винт ФВ2 (рис.1.15) и отсоединить съемную оправку 12.

3.2.3. Пропустить оптическое волокно через отверстия в кольцах 5, 6, 7 и цилиндре 11.

3.2.4.Закрепить коннектор FC оптического волокна в оправке 12, повернув фиксирующий винт коннектора.

3.2.5. Осторожно, не допуская резких изгибов оптического волокна,  вставить оправку 12 на установочное место и закрепить ее фиксирующим винтом ФВ2.

3.3. Установить:

-ручку потенциометра регулировки тока накачки на лицевой панели БПИ (рис.1.12) в крайнее положение против часовой стрелки;

-кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки - в положение 50 мА;

-с помощью соединительного кабеля подключить ЛД или СД (рис.1.11) к блоку Блок питания излучателя (БПИ), Соединение осуществляется с помощью разъема PC 4 ТВ, блочная часть которого расположена на лицевой панели;

           -закрепить выбранный оптический источник в оправке 8 (рис.1.15).

3.4. Включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока БПИ. При этом загорается его подсветка. С помощью потенциометра установить значение тока    накачки    лазерного    диода   IН  =   20мА.    Контроль    тока    накачки осуществляется по стрелочному прибору на лицевой панели.

3.5. Включить питание монитора М и телекамеры ТК (рис.1.11), нажав кнопочный переключатель на лицевой панели монитора. При этом после его прогрева наблюдается слабое свечение экрана монитора.

3.6. Выходной торец оптического волокна расположен напротив телекамеры. Оба элемента закреплены во втором юстировочном устройстве ЮУ2 (рис.1.15). Изменяя угловое положение торца оптического волокна относительно телекамеры с помощью микрометрических винтов УВ2 и УГ2 и перемещая телекамеру в двух поперечных направлениях с помощью микрометрических винтов ЛПП2 и ЛВ2, добиться появления изображения торца оптического волокна на экране монитора.

3.7. Исследуемый в данном эксперименте лазерный диод расположен в узле юстировочного устройства ЮУ1, осуществляющем угловое перемещение (рис.1.15). Необходимо добиться того, чтобы его излучение попадало на входной торец оптического волокна, который расположен в этом же юстировочном устройстве (в узле, осуществляющем линейное перемещение). Изменяя угловое положение ЛД относительно торца оптического волокна с помощью микрометрических винтов УВ1 и УГ1 и перемещая оправку со входным торцом оптического волокна в двух поперечных направлениях относительно ЛД с помощью микрометрических винтов ЛПП2 и ЛВ2, добиться появления на выходном торце оптического волокна светового пятна, которое наблюдается на экране монитора. Регулировку положения источника и входного торца оптического волокна производить методом последовательных приближений, добиваясь максимальной яркости наблюдаемого пятна.

При необходимости, если наблюдается чрезмерный контраст изображения на экране монитора, уменьшить уровень мощности, повернув поляризатор на ЛД.

3.8. Включить питание осциллографа. Его органы управления установлены в положение, при котором осциллограмма на его экране соответствует одной из строк видеосигнала, наблюдаемого на экране монитора.

3.9. С помощью микрометрического винта ЛПР2 переместить теле-камеру в положение, при котором святящееся пятно, наблюдаемое на мониторе, займет примерно половину его экрана.

3.10. Используя органы управления режимом развертки осциллографа, добиться появления на его экране осциллограммы, соответствующей рис.9. Отметить положение переключателя ступенчато регулирующего -длительность развертки (дел/мксек) - R и расстояние между строчными импульсами Т (рис.1.2). Данные измерений занести в таблицу 1.1.

3.11.С помощью кнопок «↑», «↓» осуществляется передвижение выделяемой строки вверх или вниз по изображению на экране монитора добиться максимальной ширины импульса, соответствующего светящемуся пятну. Этим обеспечивается выделение строки, приходящейся на центр светового пятна. Для повышения точности измерений следует уменьшить период развертки с помощью переключателя ступенчато регулирующего длительность развертки (дел/мксек). Отметить его новое положение R0.

3.12. Попытаться уменьшить размер пятна на экране монитора и соответствующего ему импульса на осциллограмме, изменяя угловое положение торца оптического волокна относительно телекамеры с помощью микрометрических винтов УВ2 и УГ2. Этим обеспечивается коррекция параллельности фокальной плоскости объектива и плоскости, в которой расположен торец оптического волокна. После этого скорректировать положение выделяемой строки, повторив действия, описанные в пункте 11.

 

Таблица 1.1

 Измерение числовой апертуры оптического волокна

ti (дел)

t0

t1

 

tn

Ri (дел/мксек)

R0

R1

 

Rn

Тi (дел)

Т0

Т1

 

Тn

Fi (mm)

F0

F1

 

Fn

di (мм)

d0

D1

 

dn

NA

NA0

NA1

 

NAn

                                                                                                       

3.13. Попытаться уменьшить размер пятна, перемещая в поперечных направлениях телекамеру относительно торца оптического волокна с помощью микрометрических винтов ЛПП2 и ЛВ2. Этим обеспечивается коррекция положения торца оптического волокна относительно оптической оси ОО (рис.1.2). После этого скорректировать положение выделяемой строки, повторив действия, описанные в пункте 11. Отметить окончательное положение переключателя ступенчато регулирующего длительность развертки (дел/мксек) - R0 и соответствующую ширину наблюдаемого на осциллограмме импульса - t0 и Т0. Данные измерений занести в таблицу 1.1.

3.14. По шкале на микрометрическом винте ЛПР2 отметить значение расстояния F0. Данные измерений занести в таблицу 1.1.

3.15. Повторить измерения, предусмотренные пунктами 11-14 для расстояний F = F1,2…n и для R = R1,2...n. При этом  все отсчеты F1,2…n < F0- Число измерений n указывается преподавателем. Данные измерений занести в таблицу 1.

3.16. По данным таблицы 1 определить размер светящегося пятна по формуле (1.1). Вычисленные значения занести в таблицу 1.1.

3.17. Вычислить значение числовой апертуры NA:

 

                                   NA=sin(θ)=d/().                                    (1.3)

 

Измеренное значение числовой апертуры соответствует среднему значению:

 

                                             NA = (ΣNAi)/(n).                                          (1.4)

 

3.18. Заменить многомодовое оптическое волокно на одномодовое. Для этого выполнить следующие операции.

3.18.1. С помощью микрометрического винта ЛПР1 (рис.1.15) переместить узел юстировочного устройства ЮУ1, осуществляющий линейное перемещение, в крайнее левое положение.

3.18.2. Отвернуть коннектор FC входного торца многомодового оптического волокна от оправки 10, открутив фиксирующий винт коннектора. После этого извлечь его из узла юстировочного устройства ЮУ1, осуществляющего линейное перемещение.

3.18.3. Пропустить одномодовое оптическое волокно через отверстия в платах 2, 3.

3.18.4.Закрепить коннектор FC оптического волокна в оправке 10, повернув фиксирующий винт коннектора.

3.18.5.С помощью микрометрического винта ЛПР2 переместить узел юстировочного устройства ЮУ2, осуществляющий линейное перемещение, в крайнее левое положение.

3.18.6.Отвернуть фиксирующий винт ФВ2 (рис. 1.15) и отсоединить съемную оправку 12 с многомодовым оптическим волокном. Извлекать оправку с оптическим волокном из юстировочного устройства следует с осторожностью, не допуская его резких изгибов.

3.18.7.Отвернуть коннектор FC входного торца многомодового оптического волокна от оправки 12, открутив фиксирующий винт коннектора. После этого извлечь его из узла юстировочного устройства ЮУ2, осуществляющего угловое перемещение.

3.18.8. Пропустить одномодовое оптическое волокно через отверстия в кольцах 5, 6, 7 и цилиндре 11.

3.18.9. Закрепить коннектор FC оптического волокна в оправке 12, повернув фиксирующий винт коннектора.

3.18.10. Осторожно, не допуская резких изгибов оптического волокна,  вставить оправку 12 на установочное место и закрепить ее фиксирующим винтом ФВ2.

3.19. Используя  методику  измерений,  описанную   выше,  произвести измерение числовой апертуры одномодового оптического волокна.

 

4. Содержание отчета

 

Отчет по лабораторной работе должен включить следующие пункты:

1. Краткое  изложение теоретической части.

2. Принципиальную схему лабораторной установки.

3. Результаты измерений и графики.

4. Анализ расчетов и выводы.

 

5. Контрольные вопросы

 

1.     Поясните роль оптического волокна (ОВ) в волоконно-оптических        системах связи.

2.     Поясните устройство  оптического волокна.

3.     Из каких материалов изготавливается ОВ?

4.     Какие типы оптических волокон, применяемых в оптических системах     связи  Вы знаете? Дайте им краткую характеристику.

5.     Какими стандартами оптических волокон пользуются в современных волоконно-оптических системах связи? Дайте им краткую характеристику.

6.     Поясните суть закона Снеллиуса, выражающего зависимость между падающим и преломлённым углами светового луча, падающего на поверхность границы двух оптических сред.

7.     Каким соотношением определяется один из важных параметров оптического волокна – относительное изменение показателя преломления?

8.     Приведите соотношение, определяющее угол полного внутреннего отражения светового луча от поверхности границ оптических сред. Поясните его сущность.

9.     Дайте определение апертурному углу и числовой апертуре.

10.             Какими количественными соотношениями определяются числовые апертуры оптических волокон со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления?

 

6. Теоретическая часть

6.1. Оптическое волокно и его конструкция

 

         Среда, ограничивающая область распространения оптических колебаний и направляющая поток световой энергии в заданном направлении, соединяющая передающий пункт с приемной в системах ВОС, называют оптическим волокном (ОВ). Характеристики оптических волокон частично определяют качество системы связи. Поэтому при проектировании систем ВОС надо учитывать эти характеристики .

         На основе ОВ с минимальными коэффициентами затухания, создаются оптические кабели, обеспечивающие передачу сигналов на дальние расстояния.

Волоконно-оптические светодиоды состоят из сердечника и оболочки. Они имеют приблизительно одинаковые значения показателей преломления. Сердечник среда направления, оболочка используется для создания границы раздела между ней и сердцевиной. Эта граница формирует физический канал и по нему распространяется световой луч - переносчик передаваемого сигнала. Для обеспечения распространения света только по светодиоду должно выполняться условие

 

n1>n2.                                                      (1.5)

 

          Здесь n1- показатель преломления сердечника, 

                    n2 - показатель преломления оболочки соответственно.

         РПоказатель преломления ОВ:

 

                                         ,                                         (1.6)

 

Здесь, e и m - соответственно относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости.

  Или определяется отношением скорости света в вакууме (с) к скорости света в веществе (см):

n = с / см.                                               (1.6`)

 

Показатели преломления разных веществ и скорость передачи света по ним приведены в таблице 1.2. [1]. Структура ОВ изображена на рис. 1.3. Основной материал для ОВ является чистый кварц – оксид кремния (SiO2).

Для получения нужных значений показателя преломления на кварцевое стекло добавляются примеси. Например: германий и фосфор увеличивают показатель преломления, бор и фтор наоборот уменьшают его.

 

 

 

 

                                                                                                    Таблица 1.2.

 

Показатели преломления разных материалов

 

Наименование материала

Показатель преломления, n

Скорость света в разных материалах, см км/сек.

  Вакуум

                 1,0

300 000

                Воздух

                 1,0003

300 000

                Вода

1,33

225 000

Кварц

1,46

205 000

Стекло

                 1,5

200 000

Алмаз

2,5

120 000

 

 

 

 


                                                                             

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.3. Конструкция оптического волокна

 

Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными. На рис. 1.3 показано внешнее пластиковое покрытие [2].

 

6.2. Типы оптического волокна и их характеристики.

Одномодовые и многомодовые оптические волокна.

Оптические волокна со ступенчатым, градиентным и специальными профилями показателя преломления

 

          В зависимости от отношения диаметра сердцевины ОВ к длине волны оптического излучения  ОВ делятся на одномодовые и многомодовые.

Обычно в одномодовом волокне диаметр сердцевины составляет 7-10 мкм (рис. 1.4,а), а в многомодовом волокне 50-62,5 мкм (рис. 1.4,б). В обоих типах диаметр оболочки составляет 125 мкм. На практике есть и другие значения диаметров одномодовых (ОМ) ОВ и многомодовых (ММ) ОВ.  По ОМ ОВ передаётся только одна основная HE11 мода.

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4. Поперечные сечения одномодового (а) и многомодового (б)

оптических волокон

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.  1.5. Конструкции ступенчатой (а) и градиентной (б) ММ ОВ и

профили показателя преломления    

                                      

А по ММ ОВ возможна передача нескольких мод вводимое в оптическое волокно под различными углами в пределах числовой апертуры. Все допустимые моды имеют различные пути распространения и времени. 

         По показателю преломления n ММ ОВ делятся на ступенчатые (рис. 1.5,а) и градиентные ОВ (рис.1.5,б) [2].

Ступенчатые ММ ОВ характеризуются конкретным отличием значения показателей преломления n1  и n2 на границе двух сред. Ступенчатые ММ ОВ ограничивают полосу пропускания, но считаются дешевой,  чем градиентные ОВ.

ММ ОВ с градиентным профилем показателя преломления имеет плавный показатель преломления и имеет лучшие технические показатели по уменьшению межмодовой дисперсии, потому что в ММ ОВ с градиентным профилем показателя преломления скорость распространения (дисперсия) мод не так уж отличаютя от друг друга. Дисперсия приводит к уширению импульсов и к искажению передаваемого сигнала. Поэтому ММ ОВ с градиентным профилем показателя преломления широко распространено. Основной недостаток ММ ОВ с градиентным профилем показателя преломления это их дороговизна и сложность производства.

Межмодовая дисперсия ограничивает дальность связи и полосу пропускания. Поэтому в основном ММ ОВ используются в локальных сетях и для передачи сигналов систем плезиохронной цифровой иерархии.

ОМ ОВ используются в магистральных сетях связи, потому что из-за отсутствия межмодовой дисперсии имеют более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

На рис. 1.6.  показана общая картина распространения света по разным типам световодов [3].

По показателю преломления ОМ ОВ делятся на ступенчатые (прямоугльные) и ОВ с профилем показателя преломления специального вида   в форме трезубц (W образного). (рис. 1.7) [4].

Показатели преломления не зависят от затухания, но влияют на значения хроматической дисперсии.

ОМ волокна делятся на:

-       стандартное волокно ОМ-СВ, или волокно с несмещенной дисперсией ОМ-ВНД (SF - Standard Fiber, SSF или SSMF - Standard Single Mode Fiber);

-       волокно со смещенной дисперсией ОМ-ВСД (DSF - Dispersion-Shifted Fiber);

-       волокно с ненулевой смещенной дисперсией ОМ-ВНСД (NZDSF - Non-Zero Dispersion- Shifted Fiber).

Волокна DSF, NZDSF имеют показатели преломления специального вида W образного профиля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.1.6. Распространение оптического излучения по разным типам волокон:

                            а) многомодовое ступенчатое волокно,

                            б) многомодовое градиентное волокно,

                     в) одномодовое ступенчатое волокно.

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1.7. Показатели преломления ОМ ОВ:

а) – стандартное волокна SF со ступенчатым (прямоугольным) профилем

       показателя преломления;

       б)ОМ ОВ со смещенной дисперсией, специального типа W образного

              профиля в форме трезубца.

                         

6.3. Теория распространения светового луча

по оптическому волокну

Преломление света

 

Теория распространения света основана на законы отражения/прелом-ления.

При перемещении из одного материала в другой изменяется скорость распространения света, что с точки зрения волновой теории, приводит к изменению направления распространения. Отклонение света от прямого направления называется преломлением, который можно проследить с помощью призмы (рис. 1.8).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                    Рис.1.8. Преломление света на призме

 

 

Полное внутреннее отражение

 

Физической основой передачи светового сигнала по световоду (оптоволокну) является яв­ление полного внутреннего отражения (ПВО) света от границы раздела двух сред с различ­ными показателями преломления. Для его реализации в оптическом волокне показатель прелом­ления сердцевины nс должен быть больше, чем показатель преломления оболочки nоб. Яв­ление ПВО при этом наблюдается только для луча, падающего под углом, равным или большим критического угла падения (напомним, что это угол между падающим лучом и нормалью к поверх­ности в точке падения). При Ө = Өкр преломленный луч скользит по границе раздела и как бы исчезает из рассмотрения. Свет падающий под углом больше критического угла  Ө > Өкр полностью внутреннее отражается от границ двух сред.

 Критический угол падения Өкр может быть вычислен по закону Снеллиуса:                

 

                                .                               (1.7)

 

Например, если n1=1,48,  n2=1,46:

 

Өкр = arc sin (1,46 / 1,48) = arc sin (0,9864) = 80,60.

 

При таком критическом угле Өкр=80,60 , если угол падения Ө2  больше критического угла Ө2=810, то свет не проникая на вторую среду, распространяется вдоль сердцевины. Этот процесс представлен на рис. 1.9.

 Луч света падающий под углом больше критического угла  Ө > Өкр полностью внутреннее отражается от границы двух сред (свет 1). При этом Ө1 = Ө2, поэтому луч света 1 распространяется вдоль сердцевины зигзагообразно, претерпевая ряд отражений. В идеальном случае (при отсутствии рассеяния света и нулевой дисперсии) луч 1 мог бы распро­страняться внутри сердцевины с п1 на сколь угодно большое расстояние.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1.9. ПВО на ОВ.

 

Рис. 1.9. Полное внутреннее отражение в оптическом волокне

 

        Луч света 1 называется направляющимися модами.

Луч 2 падая под Өкр углом, преломляется и распространяется по границе сердцевина/оболочка. 

Луч 3, падая под углом меньше критического угла Ө < Өкр, преломляется и, падая на границу оболочки, отражается от границы раздела, в результате распространяется по оболочке или излучается во внешнее простран­ство. Они называются излучаемыми модами.

 

Числовая апертура

 

Световой луч вводится в  ОВ, под каким - то  углом. Максимальный угол падения луча в сердцевину волокна называется  углом апертуры (Өа). Для ПВО луч должен вводиться в волокно под углом апертуры. Синус угла апертуры называется числовой апертурой и обозначается буквами NA (N-number-число, A-apеrture-отверствие). Числовая апертура определяется по следующей формуле:

                         

или    (1.8)       

                               

                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1.10. Угол апертуры ОВ

 

Здесь - в рисунке (1.8) приведены две формулы для вычисления NA, которые могут встретиться в литературе. Они дают близкие значения числовой апертуры. Первая формула используется для теоретических, а вторая - для практических расчетов, причем k=0,98 или k=0,94 в  зависимости от методики измерений. Для данных, приведенных выше к рис.1.9 n1=1,48, n2=1,46, указанные формулы дают следующие значения числовой апертуры: 0,242487 (теоретическая) или 0,237637 (k=0,98) и 0,227938 (k=0,94) [3].

 

 

 

Относительная разность показателей преломления ∆n равна:

 

                                       (1.8)

 

Лучи, которые попадают под углом qqа,  называются апертурными (на рис.1.10, им соответствуют луч 1). Они, испытывая ПВО, распространяются по волокну. Лучи, для которых q>qа  начинают распространяться по волокну, но постепенно затухают, так как при многократном отражении отдают часть энергии преломленному лучу, выходящему из сердцевины в оболочку. Эти лучи называются внеапертурными и делятся на те, которые распространяются по оболочке, например, луч 2, и те, которые выходят за грани­цы волокна, - луч 21 [3].

Числовая апертура характеризует собирательную способность волокна по отношению к входному излучению. В зависимости от типа волокна она может меняться от 0,13 до 0,28.

Типичные значения параметров самых распространенных ОВ приведены в таблице 1.3 [5]:

 

                                                                                                                 Таблица 1.3

Тип ОВ

Диаметр сердцевины, мкм

NA

Максимальный угол падения в сердцевину волокна, град.

n

ММ ОВ

50 – 200

0,25 – 0,5

20 – 30

0,005 – 0,02

 

ОМ ОВ

5 – 12

0,12 – 0,25

5 - 8

0,002 – 0,01

 

 

NA показывает ввод светового луча в ОВ и распространения излучения по ОВ.

ОВ с большим значением NA хорошо принимает свет, а в ОВ с минимальным значением NA можно вводить пучок света только с узким направлением.

ОВ с большой полосой пропускания имеют минимальное значение NA. Таким образом, в них количество мод меньше, дисперсия минимальна и полоса пропускания широкая.

В ОВ с большим NA из-за множество количества мод, высока межмодовая дисперсия [1].

 

 

Учебная лабораторная установка «Исследование характеристик оптических волокон»

1.     Общая характеристика установки

 

На базе данной установки могут быть выполнены следующие лабораторные работы.

1. Экспериментальное определение числовой апертуры оптических волокон.

          2. Исследование зависимости удельного коэффициента затухания, вносимого изгибом оптического волокна от его радиуса.

Выполнение перечисленных выше лабораторных работ позволяет:

-экспериментально определить числовую апертуру оптических волокон; - оценить допустимые радиусы изгиба оптических волокон и определить вносимый изгибом коэффициент затухания.

2. Состав лабораторного макета и его функциональная схема

Функциональная схема лабораторного макета приведена на рис.1.11. В его состав входят следующие элементы:

2.1. Источник оптического излучения — лазерный диод ЛД1 обеспечивающий излучение на длине волны λ = 0,67 мкм. Мощность излучения зависит от тока накачки Iн и достигает величины 5 мВт при Iн=40мА.

2.2. Источник оптического излучения - светодиод СД обеспечивающий излучение на длине волны λ = 0,67 мкм.

Мощность излучения зависит от тока накачки Iн и достигает величины 5 мВт при Iн=40мА.

На корпусе ЛД 1 имеется микрообъектив, позволяющий сфокусировать его излучение на торце оптического волокна. У СД микрообъектив отсутствует.

ЛД 1 и СД размещены в капролоновых корпусах одинакового диаметра и снабжены электрическими шнурами с разъемами РС4-ТВ для подключения к блоку питания.

В установке они располагаются в специальной оправке, позволяющей производить их оперативную смену в процессе измерений.

2.3. Блок питания источника оптического излучения (БПИ 1-0,67 мкм). На рис.1.12 показана лицевая панель блока. ЛД 1 и СД подключаются к нему с помощью шнура питания с разъемом РС4-ТВ. Блочная часть разъема находится на лицевой панели и снабжена надписью «ОПТИЧЕСКИЙ ВЫХОД».

Блок предусматривает возможность:

-регулировки тока накачки с помощью потенциометра, ручка которого выведена на лицевую панель. Изменение тока накачки позволяет изменять мощность излучения лазерного диода;

-переключение пределов изменения тока накачки (5, 50 мА) с помощью кнопочного переключателя;

-регистрации тока накачки с помощью цифрового индикатора «ТОК ИЗЛУЧАТЕЛЯ».

 

 

Рис. 1.11. Функциональная схема макета

 

     

 

Рис.1.12.Лицевая панель  блока  питания излучателя

 

Питание БПИ осуществляется от сети 220v / 50Hz. Включение блока осуществляется тумблером с подсветкой «СЕТЬ» на лицевой панели.

2.4. Блок питания источника оптического излучения (БПИ 1=1,3 мкм). Блок содержит те же элементы управления, что и предыдущий. Отличие заключается в том, что вместо электрического разъема РС4-ТВ установлена оптическая розетка FC-SM. К ней непосредственно подключается разъем оптического волокна.

2.5. Фотодиод ФД для регистрации излучения на длине волны λ = 0,67 мкм размещенный в цилиндрическом корпусе на штативе и снабженный шнуром питания с разъемом РС4-ТВ для подключения к блоку фотоприемника. В корпус фотодиода вставляется оправка, к которой крепится коннектор К исследуемого оптического волокна.

2.6. Фотоприемник ФП для регистрации излучения на длине волны λ=0,67 мкм. На рис.1.13 показана лицевая панель блока ФП. Фотодиод подключается к нему с помощью шнура питания с разъемом РС4-ТВ. Блочная часть разъема находится на лицевой панели и снабжена надписью «ОПТИЧЕСКИЙ ВХОД».

 

Рис.1.13. Лицевая панель блока фотоприемника

 

Блок предусматривает возможность переключения пределов измерения оптической мощности. Для этого на лицевой панели имеется кнопочный переключатель «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ». Нажатие кнопок «0,001; 0,01; 0,1; 1» на лицевой панели приводит к изменению коэффициента усиления фототока.

Для контроля оптической мощности на лицевой панели ФП имеется цифровой индикатор «ОПТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ, ОТН. ЕД.». Оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку фотодиода, вызывает изменение тока (фототока), протекающего через его р-n переход. Фототок прямо пропорционален значению оптической мощности на чувствительной площадке фотодиода. Поэтому показания цифрового индикатора пропорциональны этой мощности, но не равны ей. Измерение с помощью фотоприемника осуществляется в относительных единицах.

2.7. Оптический тестер «Топаз 3000» ОТ для регистрации излучения на длине волны λ = 1,3 мкм.

2.8. Два отрезка оптических волокон ОВ 1, 2:

- одномодовое оптическое волокно без защитной оболочки (желтый цвет буферного покрытия) с коннекторами типа FC -UPS;

- многомодовое оптическое волокно (оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами типа FC PC.

 С элементами оптической схемы лабораторной установки коннекторы ОВ соединяются с помощью специальных оправок (К), которые крепятся в узлах юстировочных устройств (их описание приводится ниже).

2.9. Телекамера с микрообъективом (ТК), которая служит для анализа излучения из торца, исследуемого оптического волокна. В поле зрения телекамеры находится один из торцов исследуемого оптического волокна.

Телекамера имеет следующие характеристики:

- максимальное разрешение - 700 лин/мм;

- фокусное расстояние объектива F=4,2 мм.

При проведении измерений (измерение числовой апертуры, исследование модового состава, измерение степени когерентности источника) объектив телекамеры не используется.

2.10. Черно-белый монитор (ЧБМ), на экране которого наблюдается изображение формируемое телекамерой. В данной установке - это изображение светящегося торца исследуемого оптического волокна.

2.11. Блок выделения строки (БВС), с помощью которого производится выделение строки изображения формируемого телекамерой. Этот сигнал соответствует распределению интенсивности в поперечном сечении исследуемого оптического волокна.

На рис. 1.14. показана лицевая панель блока выделения строки. На ней имеются три кнопки, обозначенные символами «↑», «↓», «+». С помощью кнопок «↑», «↓» осуществляется передвижение выделяемой строки вверх или вниз по изображению на экране монитора. Кнопка «+» устанавливает выделяемую строку в середину изображения. Положение выделяемой строки контролируется по экрану монитора - на изображении она отмечена светлой линией.

 

 

Рис.1.14. Лицевая панель блока выделения строки

 

На лицевой панели расположены два светодиода (синий и красный), контролирующих включение питания блока и наличие на его входе видеосигнала. Включение питания осуществляется тумблером «Вкл.» на лицевой панели.

С видеовыходом монитора и входом осциллографа БВС соединяется с помощью кабелей с соответствующими разъемами. Блочные части разъемов расположены на задней панели блока.

2.12. Блок питания монитора (БПМ), который обеспечивает питание монитора от сети переменного тока 220v/50Hz. Питание телекамеры и БВС обеспечивается напряжениями, вырабатываемыми в мониторе.

2.13. Осциллограф (ОСЦ). На его вход поступает сигнал с БВС, который соответствует выделенной строке. Поскольку в поле зрения телекамеры находится торец исследуемого оптического волокна, в режиме выделения строки осциллограмма представляет собой распределение интенсивности в его поперечном сечении.

2.14. Два юстировочных устройства (ЮУ1, ЮУ2). Они обеспечивают:

-взаимную юстировку оправки для коннектора (К) торца исследуемого оптического волокна и источника ЛД (ЮУ1). Данная регулировка позволяет изменить уровень оптической мощности, вводимый в исследуемое оптическое волокно, для обеспечения удобства проведения измерений;

-взаимную юстировку торца исследуемого оптического волокна и телекамеры (ЮУ2).

Упрощенный эскиз (соответствующий виду сверху) ЮУ1 и ЮУ2 приведен на рис.1.15. Эти устройства отличаются только видом оправок, в которых закреплены необходимые элементы. Устройства их управления одинаковы.

Основой юстировочных устройств служат основания 1 (рис.1.15). На них расположены два узла. Один из них осуществляет линейное перемещение оправки с закрепленным элементом по трем взаимно перпендикулярным направлениям: линейное поперечное (ЛПП), линейное продольное (ЛПР), линейное вертикальное (ЛВ).

Второй узел осуществляет угловое перемещение (поворот) оправки с закрепленным элементом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: вертикальной (УВ), и горизонтальной (УГ).

Шаг резьбы микрометрических винтов, с помощью которых осуществляется перемещение в одном из 5 указанных выше направлений, одинаков и составляет 0,5 мм.

В состав узла, осуществляющего линейное перемещение, входят три подвижных платы (2, 3, 4), которые перемещаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях, соответственно, микрометрическими винтами ЛПР1, 2 (линейное продольное направление), ЛПП1, 2 (линейное поперечное направление), ЛВ1, 2 (линейное вертикальное направление).

В состав узла, осуществляющего угловое перемещение, входят три вложенных друг в друга кольца 5, 6, 7. Внешнее кольцо 5 жестко связано с основанием 1. Кольца 6 и 7 закреплены так, что обеспечивается их вращение вокруг горизонтальной (6) или вертикальной (7) оси. Вращение осуществляется с помощью микрометрических винтов УГ (угловое горизонтальное перемещение) и УВ (угловое вертикальное перемещение).

 

 

 

Рис. 1.15. Два юстировочных устройств (вид сверху) устройства(ввивид

 

 

 

 

 

Во внутреннем кольце 7 узла, осуществляющему угловое перемещение в юстировочном устройстве ЮУ1 (рис.1.15), закреплена оправка 8 с оптическим источником (ЛД или СД). Предусмотрена возможность смены одного типа источника другим. На эскизе показан соединительный кабель, с помощью которого оптический источник соединяется с блока питания БПИ. К оправке 8 крепится поляризатор 17. Он вворачивается в оправку по резьбе на ее внутренней поверхности. Поворот поляризатора приводит к изменению уровня оптической мощности.

На плате 3 узла, осуществляющего линейное перемещение в юстировочном устройстве ЮУ1 (рис.1.15), укреплена оправка 10, в которой фиксируется коннектор FC исследуемого оптического волокна.

В платах 3, 4 и цилиндре 9 имеются отверстия, через которые проходит исследуемое оптическое волокно (рис.1.15).

Во внутреннем кольце 7 узла, осуществляющем угловое перемещение в юстировочном устройстве ЮУ2 (рис.1.15), закреплен цилиндр 11 с центральным отверстием. В нем с помощью фиксирующего винта ФВ2 (рис.1.15) крепится съемная оправка 12, в которой фиксируется коннектор FC исследуемого оптического волокна.

Исследуемое оптическое волокно проходит через отверстия в крышке узла, осуществляющее угловое перемещение (на эскизе не показана) и цилиндре 11.

На плате 3 узла, осуществляющего линейное перемещение в юстировочном устройстве ЮУ2, укреплен цилиндр 14 с внутренним отверстием. В нем крепится телекамера 13. На внешней поверхности цилиндра 14 имеется резьба (М 40 х 0,5). По ней наворачивается оправка 16 с объективом 15. Перемещение оправки 16 по резьбе вдоль цилиндра 14 позволяет производить настройку изображения, формируемого телекамерой на экране монитора М  в том случае, если используется объектив телекамеры.

На эскизе (рис.1.15) показан кабель, соединяющий телекамеру с монитором. Юстировочное устройство ЮУ2 служит для коррекции положения торца исследуемого оптического волокна относительно микрообъектива телекамеры.

2.15. Узел измерения потерь на изгибе оптического волокна (УИП). Эскиз узла приведен на рис. 6. Оптическое волокно ОВ 1, в качестве которого используется либо одномодовое оптическое волокно без защитной оболочки (желтый цвет буферного покрытия) с коннекторами типа FC-UPS, либо многомодовое оптическое волокно без защитной оболочки с коннекторами типа FC-PC, закрепляется в двух фиксаторах 2 с помощью винтов 3.

Рис. 1.16. Узел измерения потерь на изгибе оптического волокна

(вид сверху)

 

 

 

 

Отрезок оптического волокна между фиксаторами пропускается между подвижными 4 и неподвижными 5 стойками скремблера.

Фиксаторы 2 перемещаются вдоль направляющих 6 при изменении положения подвижных стоек 4. Возвратное движение фиксаторов осуществляется за счет пружин. Фиксаторы, направляющие и пружины, закреплены на подвижных основаниях 7.

Шесть неподвижных стоек 5 закреплены на неподвижном основании 8. В нем выполнены продольные пазы, в которых перемещаются пять подвижных стоек 4. Перемещение подвижных стоек осуществляется с помощью микрометрического винта 9.

В исходном состоянии подвижные стойки должны быть перемещены в такое положение, при котором участок оптического волокна не деформируется. При этом должно быть обеспечено незначительное натяжение оптического волокна за счет пружин, связанных с фиксаторами 3.

Перемещение подвижных стоек вверх приводит к изгибу оптического волокна. Радиус изгиба совпадает с радиусом стойки, а длина изогнутого участка изменяется при движении стоек. Перемещение подвижной стойки L отмечается по шкале микрометрического винта 9. Для известного диаметра стойки D и расстояния между стойками d=20 мм длина изогнутого участка определяется выражением:

 

                 l = D*(arcsin ((D/(L2 +d2)1/2) + arctg(L/d)).                  (1.9)

 

При возвратном движении подвижных стоек оптическое волокно за счет натяжения пружин, связанных с фиксаторами, также возвращается в исходное положение.

В комплект УИП входит набор сменных стоек с различными диаметрами - 5, 7, 9, 11, 13, 15 мм-, что позволяет проводить измерение потерь на этих диаметрах.

При изменении диаметра стойки изменяется положение оптического волокна относительно крайних неподвижных стоек. Правильным является положение оптического волокна, при котором он расположен параллельно направляющим 6. Для обеспечения этого основания 7 вместе с оптическим волокном и элементами его крепления перемещаются в поперечном направлении. Перемещение осуществляется с помощью винтов 10.

Вся конструкция крепится к плате 11. На ней также располагается оправка 12 с фотодиодом. Ее внутренний диаметр выбран таким образом, чтобы оправка коннектора исследуемого оптического волокна 1 стыковалась с ней. При этом световой поток из выходного торца исследуемого оптического волокна полностью попадает на чувствительную площадку фотодиода. Оправка для коннектора - съемная. Она используется для стыковки выходного торца оптического волокна, как с фотодиодом, так и с телекамерой. В последнем случае она вставляется в юстировочное устройство ЮУ2.

                                                                   

 

 

Лабораторная работа №2

 

ИЗУЧЕНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ВАТТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОВОГО ДИОДА И ЛАЗЕРНОГО ДИОДА


1
. Цель работы

 

         1.1. Экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода.

         1.2. Экспериментальное определение тока накачки, соответствующего началу генерации оптического излучения и порогового тока лазерного диода.

         1.3. Экспериментальное измерение ватт-амперной характеристики светоизлучающего  диода.

         1.4. Сравнение ватт-амперных характеристик лазерного диода и светоизлучающего диода.

        

2.     Задание к работе

 

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

         - изучить типы и принципы работы оптических источников излучения применяемых в волоконо-оптических системах связи;

         -  в подготовленном бланке отчета привести краткое содержание теоретической части, структурную схему макета для проведения лабораторной работы, заготовленные формы таблиц для записи данных измерений;

         - изучить литературу: [1] стр. 62-70, [3] стр. 143-176, [6] стр. 73-77.

 

3.     Порядок выполнения работы

 

         В данной лабораторной работе используются следующие элементы (рис.3.6.):

         -электронный блок «Блок питания излучателя»;

         -электронный блок «Фотоприемник»;

         -лазерный диод ЛД1;

         -светоизлучающий диод СД;

         -поляризаторы П.

         Под ватт-амперной характеристикой понимается зависимость мощности, излучаемой оптическим источником от тока, протекающего через его p - n переход (ток накачки Iн).

         1. Подключить  полупроводниковый лазерный диод ЛД1 к БПИ.

Установить:        

         -ручку потенциометра регулировки тока накачки на лицевой панели БПИ (рис.6) в крайнее положение против часовой стрелки;

         -кнопочный переключатель пределов изменения тока накачки – в положение 50 мА.

         -с помощью соединительного кабеля подключить ЛД1 (рис.6) к БПИ. Соединение осуществляется с помощью разъема РС 4ТВ, блочная часть которого расположена на лицевой панели.

         2. Включить тумблер «сеть» на лицевой панели блока БПИ. При этом загорается его подсветка.

         3. Нажать кнопку  ЛД1 переключателя «Выбор излучателя».

         4. Нажать кнопку  ФД1 переключателя «Выбор фотодиода».

         5. С помощью потенциометров «Регулировка тока накачки грубо, точно» по стрелочному прибору «Ток накачки» установить его значение, равное 25 мА.

         6. Вращением поляризатора, расположенного между ЛД1 и ФД1 установить стрелку измерительного прибора «Оптическая мощность» на отметку 1.

         7. Произвести измерение ватт-амперной характеристики оптического источника. Процесс измерения аналогичен для ЛД1 и СД. Поэтому ниже тип источника не указывается.  Выполнить следующие операции:

         7.1. Повернуть ручки потенциометров «Регулировка тока накачки грубо, точно» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом устанавливается нулевое его значение. После этого переключить предел изменения тока накачки с помощью кнопочного переключателя «Пределы изменения Iн», установив его равным (0 –3)мА.

         7.2. Установить кнопочный переключатель выбора пределов измерения оптической мощности в положение 1 (максимальная чувствительность).

         7.3. Изменяя ток накачки от 0 до 3мА, снять зависимость оптической мощности Р  в относительных единицах от Iн. Отметить значение Iн, соответствующее началу генерации. Ток накачки изменять с шагом, указанным преподавателем. Измерение указанных величин производятся с помощью стрелочных приборов, расположенных на лицевых панелях соответствующих электронных блоков. Данные измерений занести в таблицу 1.

 

Таблица 1.

Ватт-амперная характеристика оптического источника излучения

Iн    (мА)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р   (отн. ед.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uд (V)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.4. Повернуть ручки потенциометров «грубо», «точно» регулировки Iн на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. После этого переключить предел изменения тока накачки с помощью кнопочного переключателя «Пределы изменения Iн», установив его равным (0 –15)мА.

         7.5. Продолжить измерения ватт-амперной характеристики.   Данные измерений занести в таблицу 3.1. Закончить измерения следует при достижении стрелки измерительного прибора «оптическая мощность отн.ед.» отметки 1 при минимальной чувствительности – кнопочный переключатель пределы – в положении 100.

         8. Произвести измерение ватт-амперной характеристики светоизлучающего диода. Для этого выполнить следующие операции:

         8.1. Установить   ручку потенциометров «Регулировка тока накачки грубо, точно»  в крайнее положение против часовой стрелки.  

         8.2. Нажать кнопку СИД переключателя «Выбор излучателя».

         8.3.  Нажать кнопку ФД2 переключателя «Выбор фотодиода».

         8.4. Произвести измерения ватт-амперной характеристики СИД в соответствии с пунктом 2 данного описания.

         9. Произвести обработку результатов измерений.

         9.1. По измеренным значениям построить зависимость оптической мощности Р в относительных единицах от тока накачки Iн для ЛД1 и СИД.

         9.2. По измеренным значениям построить зависимость напряжения на излучателях от тока накачки Iн для ЛД1 и СИД.  

         9.3. По построенным зависимостям определить:

         -значения токов накачки ЛД1 и СД, соответствующие началу генерации;

         -значение порогового тока Iп1 соответствующего излому ватт-амперной характеристики лазерного диода.   

         -качественные отличия ватт-амперных характеристик ЛД1 и СД.

 

4.     Содержание отчета

 

         Отчет по лабораторной работе должен включить следующие пункты:

1. Краткое изложение теоретической части.

2. Принципиальную схему лабораторной установки.

3. Результаты измерения и графики.

4. Анализ расчетов и выводы.

 

5.     Контрольные вопросы

 

1. Какие требования предъявляются к источникам оптического излучения, применяемым в волоконно-оптических системах связи?

2. Какие типы источников излучения используются в оптических системах связи? Из каких материалов они изготавливаются?

3. Какие типы СД Вы знаете и в чём состоит их отличия? Поясните принцип работы СД.

4. Поясните особенности ватт - амперной, вольт - амперной и спектральной   характеристик СД.

5. В каких целях используются гетероструктуры? Какие особенности имеют гетероструктуры с двухсторонним ограничением?

6. Как отличаются полупроводниковый светодиод и лазерный диод по  принципу работы и по характеристикам?

7. Какие типы ЛД имеются, какими свойствами они обладают?

8. Поясните особенности ватт амперной характеристики ЛД.

9. Почему в высокоскоростных системах ОС используются ЛД?

10.Поясните назначение блоков и устройств передающего оптического модуля (ПОМ).

 

 

6.     Теоретическая часть

 

6.1. Требования к источникам оптического излучения, применяемым в волоконно-оптических системах связи

 

   Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОСС:

- излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. Существует три окна, в которых достигается меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1500 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.

 В настоящее время используются два основных типа источников излучения, удовлетворяющих перечисленным выше требованиям - светодиоды (СД) и полупроводниковые лазерные диоды (ЛД).

Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр. Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

 

6.2. Принцип работы когерентных и некогерентных источников оптического излучения

 

Как известно из квантовой механики, значения приобретаемой электронами энергии не являются непрерывными, а носят дискретный характер. Дискретность энергетических состояний даёт основание говорить, что электрон находится на том или ином энергетическом уровне (рис.3.1). Совокупность близлежащих таких уровней, соответствующих различным электронам в твердом теле образуют энергетические зоны.

Имеется два таких зон: верхняя - зона проводимости с энергией Ес, нижняя – зона валентных электронов с энергией Еv. Между этими зонами находится запрещенная зона с энергией  Еq.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.1. Энергетические уровни полупроводника

 

         Считается, что валентная электронная зона соответствует базовому (минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии почти все электроны находятся именно в этой зоне, т.е. сосредаточены и удерживаются в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Если к p-n переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретая добавочную энергию, переходят на более высокий уровень, т.е. часть электронов сконцентрированных в валентной зоне, переходит в зону проводимости. Это приводит к   появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах возникают положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узлами кристаллической решетки или с другими электронами «падают» в валентную зону и пара «электрон-дырка» исчезает.

         Если «падение»  происходит без соударения, то энергия теряемая электронами выделяется в виде фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным.

         Частота n определяется разностью энергетических уровней Е (равна Есv), т.е. шириной запрещенной энергетической зоны:  

             

                                                    n=C/λ=Eq/h ,                                                 (3.1)

 

здесь  C-скорость света,  с=3х108 м/сек;

           λ-длина волны, мкм;  Eq-ширина запрещенной зоны;

 h- постоянная Планка, h=6,626x10-34   Дж.сек.

         Эта формула является частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка».

         Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Но так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте.

          Ширина спектра характеризует монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью, поэтому называют некогерентным светом. Некогерентным спонтанным источником излучения является светодиод (СД).

 

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.3.2. Общая структура резонатора Фабри-Перо (а) и распределение

электрического поля в нем по оси Z (б)

 

 

         В отличие от выше описанных, источники излучения излучающие синфазные оптические волны называются когерентными иcточниками света. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Широкое распространение получил резонатор Фабри-Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси Z (рис.3.2, а). Зеркала выполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси Z, а следовательно уменьшается число поперечных мод. На рис.3.2, б представлено распределение электрического поля вдоль оси Z .   Наличие резонатора создаёт условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным.

 

 

 

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.3. Спектр колебаний лазера: а) – спектр спонтанного излучения;

б) – спектр когерентного излучения; в) – спектр генерации лазера

 

В соответствии квантовой механики в таких структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и ещё процесс называемый – индуцированное (вынужденное) излучение. Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости, падает свет с частотой nо, примерно равной частоте  n, определяемой с (3.1), то возникает излучение с частотой nо и направлением падающего света. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение.  Если общие потери в такой структуре меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект, характеризующийся появлением генерации вынужденного излучения. К источникам вынужденного или индуцированного излучения относятся лазерные диоды.

Вынужденное или индуцированное излучение снижает числа продольных мод. Мощность лазерного излучения и его частота зависят от формы спектра спонтанного излучения. На рис.3.3 показаны спектры спонтанного (а), когерентного (б) излучений продольной моды и спектр генерации лазера.

 

 

 

 

6.3. Светодиоды и их типы

 

          Как сказано выше, СД является источником некогерентного излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и др.). В нем электрон не сталкиваясь с узлами кристаллической решетки, т.е. с сохранением энергии переходит в валентную зону и воссоединяется с дыркой. При таком переходе возникает спонтанное излучение.

         Полупроводники на основе  GaAs и других, состоящие из двух или более элементов являются полупроводниками с прямым переходом и легко излучают свет. Если использовать 3 или 4 элемента (примесные полупроводники), то с соотношением компонентов изменяется ширина запрещенной зоны, что позволяет создавать СД излучающие различные длины волн.     

         В таблице 1 представлено типы полупроводников на основе химических соединений и диапазон их излучения. 

Таблица 1.

Области излучений полупроводниковых лазеров на основе химических соединений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         При использовании СД в системах связи применяется только прямая модуляция интенсивности излучения с помощью изменения тока инжекции.

Важными параметрами СД являются срок службы и надёжность. При  длительной эксплуатации СД постепенно уменьшается мощность излучения. При возрастании температуры на 10-200 С срок службы снижается вдвое. Для использования в системах связи срок службы СД должен составлять 105 часов для наземных и 106 часов для подводных линий связи.

СД производятся для использования в трёх окнах прозрачности 850, 1310 ва 1550 нм. Однако они обычно используются в окнах 850 и 1310 нм. Производства СД дешевле, чем ЛД.

Из-за сравнительно простой конструкции, высокой надёжности и достаточно слабой зависимости характеристик излучения от температуры, широкого спектра излучения (до 60 нм), узкости диапазона излучаемой частоты  (100-200 МГц) и невысокого быстродействия СД в основном используются в низкоскоростных системах для передачи информации на короткие расстояния.   Лазерный диод (ЛД) обычно используется в высокоскоростных оптических системах (более 155 Мбит/с) для дальных расстояний.

 

6.4. Характеристики лазерного диода

 

Лазерный диод характеризуется сроком службы, мощностью излучения и зависимостью мощности излучения от внешнего тока инжекции, диаграммой направленности излучения Ө и спектром излучения. ЛД по сравнению с СД работает на больших значениях тока инжекции. Когда внешний ток  инжекции Iu возврастает, достигая порогового значения Iп, возникает генерация, то есть, когда усиление становится равным потерям возникает лазерный эффект или индуцированное (вынужденное) излучение.  Из-за высокой когерентности этого излучения, ширина спектра излучения ЛД узкая, чем у СД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.4.  Ватт-амперные характеристики: 1 – для лазерного диода;   

2 – для светодиода

 

Спектр излучения ЛД  составляет 1-2 нм, а спектр СД  30-50 нм. Зависимость мощности излучения от внешнего тока инжекции, ватт-амперная характеристика ЛД показана на (рис.3.4).

При малых значениях тока происходит спонтанное излучение, и он работает как неэффективный СД.  Когда значение тока превышает порогового Iп значения тока инжекции, мощность излучения Ризл резко возрастает и возникает когерентное излучение. Мощность излучения ЛД составляет 1-100 мВт.

Как видно из рисунка, ватт-амперная характеристика ЛД нелинейна. По этой причине модуляция выходного излучения путем 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. Следует особо подчеркнуть, что лазер является источником света с ограниченной пиковой мощностью. Это связано с тенденцией уменьшения мощности при больших токах накачки и с оптическим саморазрушением. Отметим ещё одну существенную особенность, присущую ЛД: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик в сторону возрастания тока инжекции (рис.3.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


   

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Изменение  ватт-амперной характеристики ЛД от температуры

 

Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка используются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.

Магистральные кабельные линии связи состоят из ОМ ОВ, поэтому использование в таких сетях ЛД даёт более высокий эффект. 

 

Учебная лабораторная установка «Исследование характеристик оптических источников и фотодиодов»

1.     Общая характеристика установки

 

На базе данной установки выполняется лабораторная работа.

         Исследование ватт-амперных характеристик  лазерного диода (ЛД) и светоизлучающего диода (СИД).

         Выполнение лабораторной работы позволяет:

         -изучить зависимость излученной полупроводниковым оптическим источником мощности от тока накачки (тока, протекающего через pn переход). Ниже эта зависимость называется ватт-амперной характеристикой;

         -сравнить особенности ватт-амперных характеристик ЛД и СИД.

         2. Описание функциональной схемы лабораторной установки

         В состав лабораторной установки входят следующие элементы (рис.3.6).

         2.1. Три полупроводниковых источника света: два лазерных диода ЛД1, ЛД2 и светоизлучающий диод СД. Все источники обеспечивают излучение в диапазоне длин волн λ = 0,67 мкм.

        

 

 

         Два фотодиода ФД1 и ФД2 для регистрации оптического излучения в диапазоне длин волн λ = 0,67 мкм.

         Источники и фотодиоды размещены в специальных оправках, которые крепятся к элементам оптической схемы установки.

         Излучение ЛД1 и СД фиксируются, соответственно,  ФД1 и ФД2. Между оптическим источником и соответствующим ему фотодиодом располагаются поляризаторы П, которые могут вращаться вокруг своей оси.        

2.2. Блок питания источника оптического излучения (БПИ) используется для возбуждения источников ЛД1, ЛД2, СД.  На рис.3.7 показана лицевая панель блока. ЛД подключается к нему с помощью  шнура питания с разъемом РС4-ТВ. Блочная часть разъема находится на лицевой панели  и снабжена надписью «ОПТИЧЕСКИЙ ВЫХОД».

         Блок предусматривает возможность:

-регулировки тока накачки с помощью потенциометра, ручка которого выведена на лицевую панель. Изменение тока накачки позволяет изменять мощность излучения лазерного диода;

-переключение пределов изменения тока накачки (5,  50 мА) с помощью кнопочного переключателя;

-регистрации тока накачки с помощью цифрового индикатора «ТОК ИЗЛУЧАТЕЛЯ».

Питание БПИ осуществляется от сети 220v / 50Hz. Включение блока осуществляется тумблером с подсветкой «СЕТЬ» на лицевой панели.

         2.3. Фотоприемник ФП для регистрации излучения на длине волны λ = 0,67 мкм. На рис.3.8 показана лицевая панель блока ФП. Фотодиод подключается к нему с помощью  шнура питания с разъемом РС4-ТВ. Блочная часть разъема находится на лицевой панели  и снабжена надписью «ОПТИЧЕСКИЙ ВХОД».

    Блок предусматривает возможность переключения пределов измерения оптической мощности. Для этого на лицевой панели имеется кнопочный переключатель «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ». Нажатие кнопок «0,001; 0,01; 0,1; 1» на лицевой панели приводит к изменению коэффициента усиления фототока.                  

         Для контроля оптической мощности на лицевой панели ФП имеется  цифровой индикатор «ОПТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ, ОТН. ЕД.». Оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку фотодиода, вызывает изменение тока (фототока), протекающего через его pn переход. Фототок прямо пропорционален значению оптической мощности на чувствительной площадке фотодиода. Поэтому показания цифрового индикатора пропорциональны этой мощности, но не равны ей. Измерение с помощью фотоприемника осуществляется в относительных единицах.

В состав установки входят два отрезка волоконных световодов (ВС). Их роль выполняют соединительные волоконные шнуры  – одномодовый (желтый цвет защитной оболочки) и многомодовый (оранжевый цвет защитной оболочки). Оба шнура снабжены коннекторами типа FC (многомодовый) и SFC (одномодовый).         

          С элементами оптической схемы лабораторной установки ВС соединяются с помощью специальных оправок, которые крепятся в узлах юстировочных устройств (их описание приводится ниже).

         2.4. Телекамера с микрообъективом (ТК), служит для анализа излучения из торца исследуемого световода. В поле зрения телекамеры находится один из торцов исследуемого световода.

         Телекамера имеет следующие характеристики:

         -максимальное разрешение – 700 лин/мм;

         -фокусное расстояние объектива F=4,2 мм.

         При проведении измерений (измерение числовой апертуры, исследование модового состава, измерение степени когерентности источника) объектив телекамеры не используется.

         2.5. Черно-белый монитор (ЧБМ), на экране которого наблюдается изображение формируемое телекамерой. В данной установке – это изображение светящегося торца исследуемого световода.

         2.6. Блок выделения строки (БВС), с помощью которого производится выделение строки изображения формируемого телекамерой. Этот сигнал соответствует распределению интенсивности в поперечном сечении исследуемого световода .

         На рис. 3.9. показана лицевая панель блока выделения строки. На ней имеются три кнопки, обозначенные символами «↑», «↓», «+». С помощью кнопок «↑», «↓» осуществляется передвижение выделяемой строки вверх или вниз по изображению на экране монитора. Кнопка «+» устанавливает выделяемую строку в середину изображения. Положение выделяемой строки контролируется по экрану монитора – на изображении она отмечена светлой линией.

На лицевой панели расположены два светодиода (синий и красный), контролирующие включение питания блока и наличие на его входе видеосигнала. Включение питания осуществляется тумблером «Вкл» на лицевой панели.

С видеовыходом монитора и входом осциллографа БВС соединяется с помощью кабелей с соответствующими разъемами. Блочные части разъемов расположены на задней панели блока.

2.7. Блок питания монитора (БП), который обеспечивает питание монитора от сети переменного тока 220v/50Hz. Питание телекамеры и БВС обеспечивается напряжениями, вырабатываемыми в мониторе.

         2.8. Осциллограф (ОСЦ). На его вход поступает сигнал с БВС, который соответствует выделенной строке. Поскольку в поле зрения телекамеры находится торец исследуемого световода, в режиме выделения строки осциллограмма   представляет собой распределение интенсивности в его поперечном сечении.

         2.9. Два юстировочных устройства (ЮУ1, ЮУ2). В состав установки входят также два юстировочных устройства (ЮУ1, ЮУ2).

Они обеспечивают:

         -взаимную юстировку торца исследуемого световода и источника ЛД2 (ЮУ1). Данная регулировка позволяет изменять уровень оптической мощности, вводимой в исследуемый световод, для обеспечения удобства проведения измерений;

         -взаимную юстировку торца исследуемого световода и телекамеры (ЮУ2).

         Упрощенный эскиз (соответствующий виду сверху) ЮУ1 и ЮУ2 приведен на рис.3.10. Эти устройства отличаются только видом оправок, в которых закреплены необходимые элементы. Органы их управления одинаковы.

         Основой юстировочных устройств служат основания 1 (рис.3.10) На них расположены два узла. Один из них осуществляет линейное перемещение оправки с закрепленным элементом по трем взаимно перпендикулярным направлениям: линейное поперечное (ЛПП), линейное продольное (ЛПР), линейное вертикальное (ЛВ).

         Второй узел осуществляет угловое перемещение (поворот) оправки с закрепленным элементом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: вертикальной (УВ), и горизонтальной (УГ).

         Шаг резьбы микрометрических винтов, с помощью которых осуществляется перемещение в одном из 5 указанных выше направлений, одинаков и составляет 0,5 мм.

         В состав узла, осуществляющего линейное перемещение, входят три подвижных платы (2, 3, 4), которые перемещаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях, соответственно, микрометрическими винтами ЛПР1,2 (линейное продольное направление), ЛПП1,2 (линейное поперечное направление), ЛВ1,2 (линейное вертикальное направление).

         В состав узла, осуществляющего угловое перемещение, входят три вложенных друг в друга кольца 5, 6, 7. Внешнее кольцо 5 жестко связано с основанием 1. Кольца 6 и 7 закреплены так, что обеспечивается их вращение вокруг горизонтальной (6) или вертикальной (7) оси.

        

 

Вращение осуществляется с помощью микрометрических винтов УГ (угловое горизонтальное перемещение) и УВ (угловое вертикальное перемещение).

Во внутреннем кольце 7 узла, осуществляющему угловое перемещение в юстировочном устройстве ЮУ1 (рис 3.6, 3.10), закреплена оправка 8 с лазерным диодом ЛД2. На эскизе показан соединительный кабель, с помощью которого ЛД2 соединяется с блоком «Блок питания излучателя».

         На плате 3 узла, осуществляющего линейное перемещение в юстировочном узле ЮУ1 (рис 3.6, 3.10), укреплена съемная оправка 10, в которой фиксируется коннектор FC исследуемого волоконного световода. В платах 3, 4 имеются отверстия, через которые проходит исследуемый световод (рис.3.10).

         Юстировочное устройство ЮУ1 служит для регулировки уровня оптической мощности, вводимой из лазерного диода ЛД2 в исследуемый световод.

         Во внутреннем кольце 7 узла, осуществляющему угловое перемещение в юстировочном устройстве ЮУ2, закреплен цилиндр 11 с центральным отверстием. В нем с помощью фиксирующего винта ФВ2  крепится съемная оправка 12, в которой фиксируется коннектор FC исследуемого волоконного световода.

         Исследуемый световод проходит через отверстия в крышке узла, осуществляющему угловое перемещение (на эскизе не показана) и цилиндре 11.

         На плате 3 узла, осуществляющего линейное перемещение в юстировочном узле ЮУ2, укреплен цилиндр 14 с внутренним отверстием. В нем крепится телекамера 13. На внешней поверхности цилиндра 14 имеется резьба (М 40 х 0,75). По ней наворачивается оправка 16 с объективом 15. Перемещение оправки 16 по резьбе вдоль цилиндра 14 позволяет производить настройку изображения, формируемого телекамерой на экране монитора М (рис. 3.6).

         На эскизе (рис. 3.10) показан кабель, соединяющий телекамеру с монитором.

         Юстировочное устройство ЮУ2 служит для коррекции положения торца исследуемого световода относительно микрообъектива телекамеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №3

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОПРИЕМНИКА

1. Цель работы

 

         -получение навыков практического использования измерителя оптической мощности;

         -измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода с помощью измерителя оптической мощности;

         -исследование зависимости тока фотодиода от уровня оптической мощности на его чувствительной площадке;

         -исследование зависимости тока фотодиода от напряжения смещения Uсм;

         -исследование зависимости спектральной чувствительности фотодиода от напряжения смещения Uсм.

        

2. Задание к работе

 

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо осуществить следующие работы:

Содержание теоретической части для отчета лабораторной работы:

-         изучить требования к источникам света применяемых в ВОСС, построение лазерного диода, механизм работы, характеристики и параметры, особенности применения;

-         изучить требования к фотоприемникам применяемых в ВОСС, их виды, построение фотодида, механизм работы, характеристики и параметры, преимущества и недостатки;

-         подготовить страницу с приведенной структуры лабораторной установки и таблицу для ввода полученных результатов;

-         изучить данные на (1)-128-156 стр., (2)-75-83 стр., (5)-121-138 стр., (6)-176-180 стр., (7)-149-163 стр., (9)-141-146 стр.

 

3. Порядок выполнения работы

 

3.1.Измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода с помощью измерителя оптической мощности.

 

         1.1.Установите органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала» в исходное положение:

                   -ручки потенциометров «I0», «I1» регулировки токов– в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -кнопочные переключатели «модуляция», «дисперсия», «шум» – отжаты;

                   -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

                   -кнопочный переключатель «выбор источника» - в положении, соответствующем включению лазера, излучающего на  выбранной длине волны 1,3 или 1,5 мкм. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный световод;

         При данном положении органов управления электронный блок обеспечивает непрерывное немодулированное оптическое излучение на выбранном оптическом выходе. Его мощность регулируется потенциометром «I0».

         1.2.С помощью одномодового (желтый цвет защитной оболочки) оптического шнура  с коннекторами типа FC соедините оптический выход электронного блока «Источник оптического излучения» со входом оптического тестера «Алмаз 33» (рис.Л1.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                               Рис. Л1.1.

 

         1.3.Используя описание прибора «Алмаз 33», включить его в режим измерения абсолютного значения оптической мощности (в мВт) на выбранной длине волны.

         1.4.Изменяя величину тока I0 с помощью потенциометра на лицевой панели блока «Источник оптического излучения», произвести измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода. Значение мощности Раб определять с помощью прибора «Алмаз 33» в абсолютных единицах. Величину тока I0 определять с помощью цифрового индикатора на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения». Измерения проводить, изменяя I0 в диапазоне значений 0 < I0 < 25 мА с шагом изменения, который определяется преподавателем. Данные измерений занести в строки 1 и 2 таблицы 1. После окончания измерений выключить «Алмаз 33».

 

Таблица 3.1

Результаты исследования ватт-амперной характеристики лазерного диода

 

I0 (мА)

        0

 

 

 

Раб (мВт)

 

 

 

 

        

         1.5.По экспериментальным данным построить ватт-амперную характеристику лазерного диода – зависимость Раб (мВт) от I0 (мА). На характеристике отметить величину порогового тока Iп (мА), значение которого необходимо для выполнения последующих исследований.

        

3.2.Исследование зависимости тока фотодиода от уровня оптической мощности на его чувствительной площадке

 

         2.1.Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

                   -ручку потенциометра «Регулировка смещения» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -кнопочный переключатель «Уст. нуля» - отжать;

                   -кнопочный переключатель «Чувствительность» – в положение 1;

                   -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

         2.2. Установите ручку потенциометра регулировки тока «I0» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического излучения» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом излучение лазерного диода отсутствует.

         2.3.Отсоедините коннектор оптического шнура от входа прибора «Алмаз 33» (рис. Л1.1) и соедините его с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник» (рис.Л1.2).

 

                                               Рис. Л1.2.

 

         2.4.Ручками потенциометров «грубо», «точно» регулировки напряжения смещения на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» установите по указанию преподавателя требуемую величину Uсм

         2.5.Произведите калибровку фотоприемника. Для этого выполните следующие операции:

                   -нажмите кнопочный переключатель «Уст. нуля» включения калибровки на лицевой панели фотоприемника;

                   -ручкой потенциометра «Уст. нуля» установите нулевые показания  прибора измеряющего оптическую мощность в относительных единицах;

                   -отожмите кнопочный переключатель калибровки на лицевой панели фотоприемника.

         2.6.Произведите измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода, используя в качестве регистрирующего устройства прибор на лицевой панели фотоприемника, фиксирующий оптическую мощность в относительных единицах. Она соответствует зависимости показаний стрелочного прибора Р (относительные единицы) на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» от величины тока накачки I0 . Значения тока I0 следует выбирать в соответствии с таблицей 1 так, чтобы была возможность установить соответствие между абсолютным значением оптической мощности, измеренным в пункте 1 и относительным, измеряемым в данном пункте. Данные измерений занесите в строки 1 и 2 таблицы 2. Для удобства обработки полученных результатов занесите в строку 3 таблицы 2 величину оптической мощности в абсолютных единицах Раб (мВт) из таблицы 1.

 

         Таблица 3.2.

Результаты измерения ватт-амперной характеристики лазерного диода с помощью электронного блока «Фотоприемник» при напряжении смещения

Uсм =     .

 

I0 (мА)

        0

 

 

 

Р (от. ед.)

 

 

 

 

Раб (мвт)

 

 

 

 

 

         2.7.Повторите измерения ватт-амперной характеристики лазерного диода, используя в качестве регистрирующего устройства прибор на лицевой панели фотоприемника, фиксирующий оптическую мощность в относительных единицах, изменив величину напряжения смещения Uсм.  Значения Uсм выбирать в соответствии с указаниями преподавателя.

         2.8.По результатам измерений, отраженным в таблице 2,  постройте зависимости измеренного значения оптической мощности в относительных единицах от ее абсолютного значения – Р (Раб) для выбранных величин Uсм. Эти зависимости представляют собой градуировочные кривые измерительного прибора фотоприемника для соответствующего напряжения смещения Uсм. По зависимости Р (Раб) следует сделать вывод о соответствии оптической мощности, фиксируемой фотодиодом, и его фототоком. В идеальном случае должна наблюдаться прямая пропорциональность между этими величинами.

         2.9.Показания измерительного прибора электронного блока «Фотоприемник», фиксирующего Р (от.ед.), пропорциональны сумме фототока Iф, обусловленного оптической мощностью на его чувствительной площадке (Раб) и темнового тока Iт :

                                      (Iф + Iт ) (А) = К (А) Р (от.ед.).

 

Коэффициент пропорциональности К (А) следует определить по значению Р(от.ед.) |I0 = 0 (мА), соответствующему I0 = 0 (мА). При этом лазерный диод не излучает и Iф = 0. Величина темнового тока, соответствующая используемому в макете диоду, составляет Iт = 10-9 А. Значение коэффициента К (А) определить из соотношения:

                                      К (А) = Iт(А) / Р (от.ед.) |I0 = 0 (мА).

 

         2.10.Вычислите значение спектральной чувствительности фотодиода для каждого значения напряжения смещения Uсм. Для этого выполните следующие действия:

                   -для каждой зависимости измеренного значения оптической мощности в относительных единицах от ее абсолютного значения – Р (Раб), соответствующей выбранному значению Uсм, определите линейный участок;

                   -отметьте границы линейного участка и соответствующие им значения (Р (от.ед.)max ; (Раб)max(Вт)  ) и (Р(от.ед.)min ; (Раб)min (Вт) ). Значения абсолютных величин мощности должны быть выражены в ваттах;

                   - вычислите значение спектральной чувствительности фотодиода по формуле:

                   S(А/Вт)=К(А) (Р(от.ед.)max-Р(от.ед.)min )/((Раб)max(Вт) -(Раб)min (Вт));

                   -вычисленное значение S и соответствующее ему значение  напряжения смещения Uсм занести в таблицу 3.

 

         Таблица 3.3

Зависимость спектральной чувствительности фотодиода от напряжения смещения Uсм.

 

Uсм (В)

 

 

 

 

S(А/Вт)

 

 

 

 

 

         2.11.По данным таблицы 3 построить зависимость спектральной чувствительности фотодиода для каждого от напряжения смещения Uсм.

         2.12.После проведения измерений:

                   -ручки потенциометров «Регулировка смещения» регулировки напряжения смещения на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» установить в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -ручку потенциометра регулировки тока «I0» установить в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -выключить тумблеры «сеть» на обоих электронных блоках.

 

5. Контрольные вопросы

 

1. Какие требования предъявляются к источникам света в ВОСС?

2. Какие виды источников света используются в ВОСС?

3. Дать определение лазерному диоду в качестве источника света.

4. На каком процессе квантовой механики основан принцип действия лазерного диода?

5. Обьясните принцип работы двухстороннего гетеропереходного лазерного диода.

6. Поясните своеобразность ватт-амперной характеристики лазерного диода.

7. Поясните спектральные характеристики одномодовых и многомодовых лазерных диодов.

8. Поясните виды лазерных диодов.

9. В каких ВОСС используются одномодовые и многомодовые лазерные диоды?

10. Какие требования предъявляются к фотоприемникам используемые в ВОСС?

11. Какие виды фотоприемников используются в ВОСС?

12. Обьясните построение и механизм работы фотодиода.

13. Какими параметрами и характеристиками характеризуется фотодиод?  

14. Поясните преимущества и недостатки p-i-n фотодиода.

15. В каких ВОСС используются p-i-n фотодиод?

 

 

6.     Краткие теоретические сведения об источниках света и фотоприемниках используемых в системах ВОСС

 

Осуществление физических процессов являющиеся основой принципа работы систем ВОСС влечет за собой использование ряда струкрурных элементов.

Если некоторые из них служат для осуществления двоичных преобразований  над входящими сигналами выражающих сообщения, модуляции светового потока в оптическом тракте и их усиления при необходимости, то другие служат для передачи светового потока, для разветвления, переключения, коммутации, для маршрутизации, для уплотнения и разделения его по длине волны.

Активные элементы – первый вид элементов, которые осуществляют разные виды изменений над сигналом за счет внешного источника энергии. Пассивные элементы – второй вид элементов, которые не употребляют энергию или не тратят энергию на изменение сигнала. Ниже мы остановимся на теоретически сведения об активных элементах – источники света (лазерные диоды) и фотоприемники (фотодиод и p-i-n фотодиод) относящихся к этой теме.

 

 

6.1. Источники света используемые в ВОСС

 

Источник света является основной и неотделимой частью передающего оптоэлектронного модуля ВОСС, он изменяет электрический сигнал в световой сигнал. В системах ВОС в качестве источника света используют полупроводниковые светодиоды или лазерные диоды. В этом случаи в качестве немонохроматического и некогерентного источника излучения используют светодиод, а в качестве монохроматического и когерентного излучения используют лазерные диоды. К источникам света, используемые в ВОСС предъявляются следующие требования:

- размер источника света должен соответствовать поперечному разрезу оптического кабеля;

- для дальной передачи сигнала, источник света должен иметь необходимую большую мощность;

- для уменьшения исходящих потерь энергии излучения от источника света, его показатель преломления должен быть близок к показателю преломления оптического волокна;

- излучение источника света должно совпасть с одной из «окон прозрачности» оптического волокна. В настоящее время существуют три «окон прозрачности», в которых происходит поглощение в процессе передачи света и другие виды потерь, которые в малом количестве происходят в оптическом волокне. Их центры совпадают со следующими длинами волны: λ=850 нм; λ=1300 нм; λ=1550 нм;

- источник должен иметь большую быстродействия, срок годности должен быть достаточно большим и себестоимость должно быть относительно низкой;

На сегодняшний день в волоконно-оптических системах связи существуют два вида источников света отвечающие на эти требования:

- полупроводниковые светодиоды;

- инжекционные лазерные диоды.

В этом случаи в качестве немонохроматического и некогерентного источника излучения используют светодиоды, а в качестве монохроматического и когерентного источника излучения используют лазерные диоды.

Мы подчеркнем основные характеристики лазерного диода, широко используемые в магистральных, региональных и местных волоконно-оптических сетях.

С точки зрения использование лазерных диодов в ВОСС ватт-амперные и спектральные характеристики лазерных диодов, считаются основными характеристиками (рис. 3.3 и 3.4)

Ватт-амперной характеристикой называется зависимость энергии излучения Р и тока, который течет по лазеру.

В этих характеристиках хорошо показаны три куска подходящих разным режимам работы лазерного диода. 1-ый кусок имеющий малый угол наклона совпадает с режимом люминессенсии, 2-ой кусок совпадает с режимом высокой люминессенсии. 3-ий кусок, начинающийся с горизонтального значения Iгор тока проходящего через лазер и имеющий неизменяемый угол падения, отображает режим когерентного излучения.

 

     

3.3 – рис. Ватт-амперная характеристика полупроводникового инжекционного лазерного диода

 

Один из важных свойств лазерного диода заключается в изменении ватт-амперной характеристики за счет изменения температуры окружающей среды.

Спектральной характеристикой лазера называется зависимость между спектральной плотностью мощности излучения и длиной волны (частотой) излучения.

На рисунке 3.4. дается представление спектральной характеристике инжекционного лазера арсенида галия. На этом рисунке показаны спектральные излучения первой кривой линии от горизонтального тока Iгор до малых токов (2,5 А), второй кривой линии от горизонтального тока Iгор до больших токов (10 А). Объем спектральной характеристики малых инжекционных токов больше 0,1 мкм, чем горизонтального тока, а на больших токах объем спектральной характеристики уменьшается до (1-1,5)*10-3 мкм. Не смотря на это, монохроматичность полупроводниковых лазерных диодов намного меньше, чем других твердых веществ лазера. Это поясняется «рассеянием» слоев принадлежащих энергетическим спектрам в полупроводниках.

 

 

Рис. 3.4. Спектральная характеристика инжекционного лазеря из арсенида галлия

 

 

На рис. 3.5. приведены спектральные характеристики многомодового лазерного диода Фабри-Перо (а) и одномодового лазерного диода (б).

Мода с большой амплитудой на рис. 3.5,а – это основная мода длины волны, моды с меньшей амплитудой – являются боковыми модами. Промежуток между боковыми модами примерна равна 1 нм. При модуляции лазерного излучения модулируется не только основная мода, но и боковые моды. В таких лазерах половина спектра излучения равна 4-5 нм [5].

Ширина спектра приводит к увеличению дисперсии. Многомодовые ЛД с резонатором Фабри-Перо не имеют высокие технические характеристики, но с учетом эффективной стоимости из-за простейшей структуры, они используются в системах ВОС с низкой скоростью.

Спектральная ширина одномодовых лазерных диодов составляет 0,1-0,4 nm. Этими видами лазерных диодов пользуются в высокоскоростных магистральных, региональных, местных ВОСС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.5. Спектры излучений лазерных диодов: а) - спектр излучения многомодового ЛД; б) - спектр излучения одномодового ЛД.

 

На рис. 3.6 показана диаграмма направленности оптического излучения ЛД. Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична. Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 200 в плоскости, параллельной переходу, и более 400 в перпендикулярной плоскости (рис. 3.6,а).

Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному ее вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применение специальных согласующих устройств. На рис. 3.6,б показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях. 

В магистральных линиях ВОС сигналы в основном передаются длиной волны в 1,3 и 1,55 мкм. Из-за того, что на длине волны 1,55 мкм значение затухания меньше, рекомендуется использовать источники оптической передачи с такой длиной волны на длинных участках (L=100 км) без ретрансляции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.6. Диаграмма направленности оптического излучения ЛД:

 

а) ширина излучения в параллельной и перпендикулярной плоскостях; б) зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.

 

   

Магистральные кабельные линии связи состоят из ОМ ОВ, поэтому использование в таких сетях ЛД эффективна.  Так как диаграмма направленности узкая. Это облегчает ввод излучения в ОВ.

 

Типы ЛД

 

Имеется несколько типов ЛД:

- многомодовые или лазеры с резонатором Фабри-Перо;

- одномодовые лазеры;

- полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью (DFB);

- лазеры с распределенным Брэгговским отражением (DBR);

- лазеры с внешним резонатором.

Сведенье про них можно получит из [1, 2, 5, 6, 7, 9].

 

3.2. Фотоприемники, применяемые в ВОСС

 

Фотоприемник является одним из важнейших и неотъемлемых элементов ВОСП, с помощью которого осуществляется фотоэлектрическое преобразование, т.е. преобразование оптического сигнала идущего через волоконный световод в электрический.

Требования к фотоприемникам используемые в системах ВОС:

- размер фоточувствительной поверхности фотоприемника должен быть близок к размеру поперечному сечению оптоволокна;

- фотоприемник должен совпасть по спектральному соотношению с источником света и с оптическим кабелем;

- фотоприемник должен иметь достаточно большую фоточувствительность;

- для обеспечения приема информации с требованной скоростью, фотоприемник должен иметь высокое быстродействие (10-9÷10-10 с).

В настоящее время в системах ВОС используют в качестве фотоприемника фотодиоды, удовлетворяющие эти требования p-i-n фотодиод, лавинный фотод, изготовленные из кремния, германия и другие полупроводники с узкоэнергетической зоной.

Кроме вольт-амперной характеристики описывающей в качестве элемента электрической цепи на заданных значениях светового потока,  фотоприемники описываются спектральной характеристикой обозначающей взаимосвязь между фототоком и энергией фотонов или длиной волны, энергетической характеристикой обозначающей взаимосвязь между световым потоком падающий на поверхность и солой тока протекающей по ним на заданных значениях напряжения.

Нижеперечисленные являются основными параметрами фотоприемников:

-  сравнительная интегральная чувствительность фотоприемника. Этот параметр выражает чувствительность фотоприемника к немонохроматическому световому потоку и показывает на значениях напряжения равным 1В соотношение силы протекаемого тока в фотоприемнике к световому потоку:

 

                                                  ,                                           (3.4)

где: I - сила тока протекаемая в фотоприемнике под влиянием света;

U - напряжение между выходами фотоприемника; F - световой поток;

 

-сравнительная спектральная чувствительность фотоприемника. Этот параметр выражает чувствительность фотоприемника относительно монохроматическому световому потоку:

                                                     (3.5)      

- темновое сопротивление фотоприемника. Этот параметр выражает сопротивление соответствующее световому потоку при значении F=0 при рабочем режиме напряжении или силе тока фотоприемника;

- граничная частота фотоприемника. Этот параметр показывает частоту, которая соответствует, когда чувствительность фотоприемника синусоидальным законом при  воздействии меняющегося потока в √2 раза меньше, чем неменяющегося потока;

- температурный коэффициент фотоприемника. Этот параметр показывает относительное изменение при изменении температуры фототока на K при заданном значении светового потока, падающего на поверхность фотоприемника:

 

                                                                                        (3.6)

рабочие значения напряжения;

самая большая разрешенная рассеянная сила.

 

 

Фотодиод, его построение, характеристики и параметры

 

Фотодиодами называются полупроводниковые диоды, основанные на управление силой тока протекаемого через p-n переход под воздействием света, рабочий принцип которого соеденен в обратном направлении. На рисунке 3.7 приведены построение, условные обозначения и используемая схема фотодиода.

Прибор, изготовленный по технологии плоскослойного или твердого полупроводника из германия или кремния, вставляется в металлическую конструкцию, поверхность которой покрыта стеклянным слоем.

 

 

Рис. 3.7. Условные обозначения (а), построение (б)  и используемая схема (в) фотодиода

 

На рисунке 3.8,а приведено семейство вольт-амперной характеристики, соответствующие с различными значениями светового потока фотодиода.

Вид этой характеристики напоминает выходную характеристику семейства биполярного транзистора. В начальном случаи, когда световой поток не поступает (F=0) по фотодиоду, течет по обратному направлению насыщенный ток. Это называется темновым током фотодиода.

При воздействии светового потока ток, протекаемый по диоду, увеличивается и происходит сдвиг характеристики на верх-в сторону большого значения тока.

Чем больше будет световой поток, тем больше будет фототок. Характеристики принадлежащие различным значениям светового потока почти что не изменяются в больших масштабных значениях напряжения поставленных на обратном направлении. Только при некоторых больших значениях напряжения наблюдается повышение фототока. А при значении напряжения Uобр наблюдается резкое повышение фототока за счет появления электрических дырок.

И так, в рабочем режиме (в непрерывных кусках характеристик) по фотодиоду протекает насыщенный ток, состоящий из двух составляющих:

                                        

                                          Iн  =    Iт   +   Iф,                                         (3.7)

 

где Iт – темновой ток,  Iф – фототок.

На рисунке 3.8,б отображены энергетические характеристики, обозначающие взаимосвязь между световым потоком и протекаемой на заданных значениях напряжения силой тока пообратному направлению фотодиода. Данные характеристики показаны прямой линией и их состояние почти не зависит от значения напряжения.

 

Рис. 3.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода (а), семейство энергетической характеристики (б)

 

Интегральная чувствительность фотодиода составляет один A/Вт из несколько десятичных. Значение данного параметра связано с длиной волны светового излучения и обретает максимальное значение на специфических значениях длины волны для различных полупроводников (рис. 3.9, а).

 

 

Рис. 3.9. Спектральный (а) и частотный (б) характеристики фотодиода

 

Фотодиоды считаются фотоприемниками, имеющие самую большую скорость. Они работают на частотах с несколько сотен мегагерц. Значения напряжений подаваемые на фотодиод, составляют в пределах 10-30 В. Для германиевых фотодиодов темновой ток составляет 10-20 мкA, а для кремниевых фотодиодов не превышает 1-2 мкA. Протекаемые под воздействием света в них значение тока составляет несколько сотен микроамперов.

 

 p-i-n фотодиоды

 

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р- и n- типов расположен слой i с собственной проводимостью. На рис. 3.10 представлена типовая структура p-i-n -фотодиодов. Обозначения р+ и n+ соответствуют применению повышенной концентрацией легирующих примесей, i- слой с толщиной d легируется слабо по сравнению с р- и n- областями. Он может иметь малую остаточную концентрацию фоновой примеси донорного или акцепторного типа (при дальнейшем рассмотрении мы будем предполагать, что этот слой имеет n- тип проводимость).

В случаи обратного напряжения Uобр поставленного фотодиоду в i-ой зоне формируется объемный зарядный слой с толщиной Lhzs и появляется внутреннее электрическое поле. В рабочем режиме напряжение Uобр полностью охватывает слой объемного заряда i, то есть выбирается при Lhzs=d.

Максимальное значение электрического поля возникает в i –области. В структуру p-i-n  подаётся обратно смещённое напряжение U0. При поглащении света с энергией больше запрещенной зоны (hν>ΔWзап)  в i –область, в нем образуется электронно-дырочная пара. Под действием электрического поля они быстро разделяются и движутся в противоположном направлении к своим электродам. Таким образом, появляется электрический ток.

 

Рис. 3.10. Фотодиод p-i-n типа (а) и распределение электрического поля (б).

         Преимущество p-i-n фотодиода считается его высокая скорость, стабильность его характеристик и параметров, низкий уровень шума, а недостатком является ограниченность чувствительности при 0,5-0,8 A/Вт.

 

         Лабораторная работа №4

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА

 

1. Цель работы

 

1.1. Исследование процесса модуляции интенсивности лазерного диода и влияния на форму оптического сигнала положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

1.2. Исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

1.3. Исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от напряжения смещения фотодиода.

 

2. Задание к работе

 

При подготовке к выполнению лабораторной работы необходимо осуществить следующие работы:

Содержание теоретической части для отчета лабораторной работы:

сущность процесса модуляции оптического направителя светоизлучения, способы модуляции оптического направителя: напрямую, наружную и внутреннюю, изучить информации процесса модуляции интенсивности лазерного диода под воздействием аналогового электрического сигнала;

- изучить строение приспособления предназначенного для выполнения лабораторной работы и подготовить график для ввода полученных данных;

-        [1]- страницы 182- 207, [2]- страницы 84-94, [6]- страницы 173, 231-238, [7]- страницы 164-178, [8]- страницы 72.

 

 

  

      3. Порядок выполнения работы

 

         Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки. Перед каждым использованием в измерениях оптического тестера «Алмаз 33» необходимо отвернуть защитный колпачок с торца  его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

         1.Установите в исходное положение органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала»:

          -ручки потенциометров «I0», «I1» регулировки токов– в крайнее положение против часовой стрелки;

          -кнопочные переключатели  «Дисперсия», «Шум» – отжаты;

          -кнопочный переключатель включения импульсной модуляции «Модуляция» - нажат;

          -кнопочный переключатель включения аналоговой модуляции «Модуляция» - отжат;

          -ручки потенциометров «Модуляция», «Дисперсия», «Шум» - в крайнее положение против часовой стрелки;

          -включить тумблер «Сеть». При этом загорается его подсветка;

          -кнопочный переключатель «выбор источника» - в положении, соответствующем включению лазера, излучающего на  выбранной длине волны 1,3 или 1,5 мкм. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный световод.

          2.Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

          -ручку потенциометра «Регулировка смещения» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

          -кнопочный переключатель «Уст. нуля» - отжать;

          -кнопочный переключатель «Чувствительность» – в положение 1;

          -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

          -ручкой потенциометра «Регулировка смещения» установить заданное преподавателем его значение по  прибору на лицевой панели.

          3.Соедините рабочий оптический выход электронного блока «Источник оптического сигнала» с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник» с помощью одномодового волоконного шнура (желтый цвет защитной оболочки).

          4.С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета выполните следующие соединения:

          -гнездо «синхронизация осциллографа» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом  канала синхронизации осциллографа;

          -гнездо «кт 3» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом первого канала осциллографа;

          -гнездо «вых» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» соедините со входом второго канала осциллографа.

         5.Включите питание осциллографа. Установите переключатели входов обоих каналов в положение (=) – открытый вход для обеспечения наблюдения сигналов с постоянной составляющей. После прогрева на  экране осциллографа появляются две горизонтальных линии развертки, соответствующие двум  его каналам. При необходимости откорректируйте изображение линий с помощью изменения яркости, фокусировки и центровки изображения по вертикали и горизонтали.

         6.Используя результаты исследования ватт-амперной характеристики, полученные в предыдущей лабораторной работе, установить с помощью потенциометра «I0» на лицевой панели блока «Источник оптического сигнала» значение тока I0, равное пороговому значению (I0 = Iп).

         7.Установите верхнюю ручку потенциометра «Модуляция» (с индесом импульсная модуляция) в среднее положение. Плавно увеличивайте значение I1 с помощью вращения по часовой стрелке ручки потенциометра «I1» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала». При этом ток накачки лазерного диода и излучаемая им оптическая мощность модулированы импульсным сигналом. Величина  I1 определяет амплитуду этого сигнала. Используя органы управления разверткой осциллографа (период развертки, усиление, центровка изображения по горизонтали и вертикали), получить устойчивое изображение сигнала модуляции на первом канале осциллографа.

         8.Установить переключатель «В/дел» второго канала  в положение 0,5. С помощью потенциометров «I1», регулирующих величину тока (вращая их по часовой стрелке и увеличивая тем самым его величину)  установить значение тока I1, обеспечивающее появление сигнала на выходе фотоприемника. Затем, увеличивая значение тока I1 и амплитуды модулирующего сигнала (для этого вращайте потенциометр модуляция по часовой стрелке), доведите значение амплитуды принимаемого оптического сигнала до максимально возможного значения. При необходимости менять положение переключателя «В/дел» второго канала. Примерный вид осциллограммы показан на рис. Л3.1.

                   9.Для удобства дальнейших измерений с помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) переместить его за пределы экрана. На экране наблюдается сигнал 2 канала, поступающий с выхода электронного блока «Фотоприемник».

         10.Установить на экране осциллографа нулевую отсчетную линию, соответствующую нулевому току фотодиода. Для этого выполнить следующие операции:

                  -установить ручку потенциометра «I1» регулировки тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом амплитуда модулирующего сигнала равна нулю – модуляция отсутствует;

                   -на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» кнопочный переключатель «Установка нуля»– нажать. При этом вход усилителя фототока соединяется с землей, что соответствует нулевому значению тока фотодиода;

                   -на экране осциллографа наблюдается прямая линия. С помощью регулировки вертикального положения сигнала 2 канала (↨) переместить ее в положение, совпадающее с нижней линией градуировочной сетки, нанесенной на экране осциллографа (сплошная линия на рис.4);

                   -отжать кнопочный переключатель «Установка нуля» – при этом линия, соответствующая сигналу на втором канале осциллографа переместиться вверх (рис.Л3.2). В данном случае положение отсчетной линии определяется темновым током фотодиода Iт (сигнал модуляции отсутствует и значение тока I0 выбрано равным пороговому значению)

         11.Плавно увеличить значение I1 с помощью вращения по часовой стрелке ручек потенциометров «I1» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» до получения максимальной амплитуды сигнала. Контроль производится по экрану осциллографа.

         12.Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения импульсным сигналом от величины тока I0. Для этого выполнить следующие операции:

                   -с помощью потенциометра «I1» регулировки амплитуды модулирующего тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить ее значение I1 = 20 мА;

                   - с помощью потенциометров «I0» регулировки тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить текущее его значение;

                   -по наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Рmin и Рмах (рис.Л3.3), которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала;

                   -данные измерений занести в таблицу 4;

                   -повторить измерения для всех значений I0, указанных преподавателем.

 

                            Таблица 4.1.

Зависимость коэффициента модуляции от тока I0 .

 

I0 (мА)

 

 

 

 

Рmin (мм)

 

 

 

 

Рmах (мм)

 

 

 

 

M

 

 

 

 

        

 

         13.По экспериментальным данным таблицы 5 вычислить значение коэффициента модуляции по формуле:

 

m = ( Рmах - Рmin ) / ( Рmах + Рmin ).

 

         14.По данным таблицы 4 построить зависимость коэффициента модуляции m от тока I0.

         15.Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения импульсным сигналом от  напряжения смещения на фотодиоде U. Для этого выполнить следующие операции:

                   -установить значение тока I0 , равное пороговому с помощью потенциометра «I0»  на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

                   -установить значение амплитуды модулирующего тока I1 = 20мА  с помощью потенциометра «I1» регулировки амплитуды модулирующего тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

                   -установить ручку потенциометра «Регулировка смещения»  на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -по наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Рmin и Рмах (рис.Л3.3), которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала;

                   -данные измерений занести в таблицу 5;

                   -изменяя Uсм от минимально возможного (соответствующего повороту ручек потенциометров «грубо», «точно» в крайнее положение против часовой стрелки) до 5 V с шагом, указанным преподавателем, произвести измерение величин Рmin и Рмах (рис.5) для всех значений Uсм. Данные измерений занести в таблицу 5.

 

         Таблица 4.2

 Зависимость коэффициента модуляции от напряжения смещения Uсм

 

Uсм (V)

 

 

 

 

Рmin (мм)

 

 

 

 

Рmах (мм)

 

 

 

 

M

 

 

 

 

        

         13.По экспериментальным данным таблицы 5 вычислить значение коэффициента модуляции по формуле, приведенной в пункте 13.

         14.По данным таблицы 5 построить зависимость коэффициента модуляции m от напряжения смещения на фотодиоде U.

         15.Установить значение величин I0 и I1 заданных преподавателем.  С помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) вывести сигнал модуляции на экран. Органы регулировки положения сигнала на втором канале должны при этом оставаться в исходном положении, чтобы не изменилось положение нулевого отсчетного уровня. Зарисуйте осциллограммы модулирующего сигнала, наблюдаемого по первому каналу, и принимаемого фотоприемником сигнала наблюдаемого по второму каналу. На осциллограмме отметить положение нулевого уровня.

         16.Переключите коаксиальный кабель от гнезда «КТ3» к гнезду «КТ2». При этом на экране наблюдается осциллограмма тока накачки, протекающего через лазерный диод. Зарисуйте осциллограмму тока накачки, наблюдаемую по первому каналу,

         16.После проведения измерений:

                   -ручки всех потенциометров  на на лицевых панелях обоих электронных блоков установить в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -выключить тумблеры «сеть» на обоих электронных блоках.

 

Контрольные вопросы

 

1.    Поясните процесс модуляции оптического несущего светового излучения.

2.    По каким параметрам световой волны можно модулировать оптическую несущую?

3.    Какие существуют способы модулирования оптического несущего?

4.    Дать определение прямой, внешней и внутренной модуляции оптического несущего?

5.    Поясните процесс модуляции интенсивности светодиода и лазерного диода под воздействием аналогового электрического сигнала.

6.    Поясните процесс модуляции интенсивности светодиода и лазерного диода под воздействием цифрового электрического сигнала.

7.    Какими физическими процессами пользуются при внешней и внутренной оптической модуляции?

 

         Лабораторная работа №5

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АНАЛОГОВОЙ МОДУЛЯЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА

 

1. Цель работы

 

1.1. Исследование процесса модуляции интенсивности лазерного диода и влияния на форму оптического сигнала положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике;

    1.2. Исследование зависимости коэффициента модуляции интенсивности лазерного диода от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике.

 

 

7.     Задание к работе

 

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

         - содержание теоретической части темы данной лабораторной работы – сущность процесса модуляции оптического несущего светоизлучения, способы модуляции оптического несущего: прямую, внешную и внутреннюю, изучить информации процесса модуляции интенсивности лазерного диода под воздействием аналогового электрического сигнала;

- изучить построение прибора, предназначенного для выполнения лабораторной работы и подготовить график для ввода полученных данных;

[1]- страницы 182- 207, [2]- страницы 84-94, [6]- страницы 173, 231-238, [7]- страницы 164-178, [8]- страницы 72.

 

8.     Порядок выполнения работы

 

         Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки. Перед каждым использованием в измерениях оптического тестера «Алмаз 33» необходимо отвернуть защитный колпачок с торца  его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

         1.По указанию преподавателя соедините оптический выход электронного блока «Источник оптического сигнала» с оптическим входом электронного блока «Фотоприемник» с помощью одномодового (желтый цвет защитной оболочки)  или многомодового (оранжевый цвет защитной оболочки) волоконного шнура.

         2.Установите в исходное положение органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала»:

                   -ручки потенциометров «I0», «I1» регулировки токов– в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -кнопочные переключатели  «Дисперсия», «Шум» – отжаты;

                   -кнопочный переключатель включения импульсной модуляции «Модуляция» - отжат;

                   -кнопочный переключатель включения аналоговой модуляции «Модуляция» - нажат;

                   -ручки потенциометров «Модуляция», «Дисперсия», «Шум» - в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -включить тумблер «Сеть». При этом загорается его подсветка;

                  -кнопочный переключатель «выбор источника» - в положении, соответствующем включению лазера, излучающего на  выбранной длине волны 1,3 или 1,5 мкм. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный световод.

         3.Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

                   -ручку потенциометра «Регулировка смещения» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -кнопочный переключатель «Уст. нуля» - отжать;

                   -кнопочный переключатель «Чувствительность» – в положение 1;

                   -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

                   -ручкой потенциометра «Регулировка смещения» установить заданное преподавателем его значение по  прибору на лицевой панели.

         4.С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета выполните следующие соединения:

                   -гнездо «кт 3» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом первого канала осциллографа;

                   -гнездо «синхронизация осциллографа» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соедините со входом  канала синхронизации осциллографа;

                   -гнездо «Выход усилителя» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» соедините со входом второго канала осциллографа.

         5.Включите питание осциллографа. Установите переключатели входов обоих каналов в положение (=) – открытый вход для обеспечения наблюдения сигналов с постоянной составляющей. После прогрева на  экране осциллографа появляются две горизонтальных линии развертки, соответствующие двум  его каналам. При необходимости откорректируйте изображение линий с помощью изменения яркости, фокусировки и центровки изображения по вертикали и горизонтали. 

         6.С помощью потенциометра «I0» регулировки тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить текущее его значение I0 = 10мА.

         7.Установить на экране осциллографа нулевую отсчетную линию для сигнала на втором канале осциллографа. Она соответствует нулевому току фотодиода. Для этого выполнить следующие операции:

                   -проверить установку ручки потенциометра «Модуляция», на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом амплитуда модулирующего сигнала равна нулю – модуляция отсутствует;

                   -на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» кнопочный переключатель «Уст. нуля» включения калибровки фотоприемника – нажать. При этом вход усилителя фототока соединяется с землей, что соответствует нулевому значению тока фотодиода.

                   -на экране осциллографа наблюдается прямая линия. С помощью регулировки вертикального положения сигнала 2 канала (↨) переместить ее в положение, совпадающее с нижней линией градуировочной сетки, нанесенной на экране осциллографа. Следует запомнить положение отсчетной линии на экране;

                   -нажать кнопочный переключатель «Уст. нуля» включения калибровки фотоприемника – при этом линия, соответствующая сигналу на втором канале осциллографа переместиться вверх. В данном случае положение отсчетной линии определяется темновым током фотодиода Iт и постоянным уровнем излучения лазерного диода, который определяется током I0 = 10мА.

         8.Вращая по часовой стрелке ручку потенциометра «Модуляция» (с индексом аналоговая модуляция, расположенный во втором ряду) на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала», добиться появления синусоидальных сигналов на первом и втором каналах осциллографа. Установить максимальную амплитуду аналогового сигнала, повернув ручку потенциометра до упора. По первому каналу наблюдается модулирующий сигнал, по второму – сигнал с выхода фотоприемника. Зарисовать осциллограммы сигналов. Для сигнала с выхода фотоприемника (второй канал) обязательно отметить нулевой уровень.

         9.Уменьшая с помощью потенциометра «I0» регулировки тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» его значение, добиться появления искажений сигнала на выходе фотоприемника. Зарисовать осциллограммы сигналов с отметкой нулевого уровня для сигнала с выхода фотоприемника.

         10.Для удобства дальнейших измерений с помощью регулировки вертикального положения сигнала 1 канала (↨) переместить его за пределы экрана. На экране наблюдается сигнал 2 канала, поступающий с выхода электронного блока «Фотоприемник».

         11.Исследовать зависимость глубины модуляции лазерного излучения аналоговым синусоидальным сигналом от величины тока I0. Для этого выполнить следующие операции:

                   - с помощью потенциометров «I0» регулировки тока на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить текущее его значение;

                   -откорректировать амплитуду модулирующего сигнала, вращая ручку потенциометра «Модуляция» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» так, чтобы не возникали искажения формы сигнала на выходе фотоприемника;

                   -по наблюдаемой на экране осциллограмме произвести отсчет величин Рmin и Рмах , которые соответствуют минимальному и максимальному уровням фиксируемого фотодиодом сигнала;

                   -данные измерений занести в таблицу 4;

                   -повторить измерения для всех значений I0, указанных преподавателем.

 

Таблица 5. Зависимость коэффициента модуляции от тока I0 .

 

I0 (мА)

 

 

 

 

Рmin (мм)

 

 

 

 

Рmах (мм)

 

 

 

 

M

 

 

 

 

        

         12.По экспериментальным данным таблицы 5 вычислить значение коэффициента модуляции по формуле:

 

m = ( Рmах - Рmin ) / ( Рmах + Рmin ).

 

По данным таблицы 4 построить зависимость коэффициента модуляции m от тока I0.

 

Контрольные вопросы

 

1.     Поясните процесс модуляции оптического несущего светового излучения.

2.     По каким параметрам световой волны можно модулировать оптическую несущую?

3.     Какие существуют способы модулирования оптического несущего?

4.     Дать определение прямой, внешней и внутренней модуляции оптического несущего?

5.     Поясните процесс модуляции интенсивности светодиода и лазерного диода под воздействием аналогового электрического сигнала.

6.     Поясните процесс модуляции интенсивности светодиода и лазерного диода под воздействием цифрового электрического сигнала.

7.     Какими физическими процессами пользуются при внешней и внутренней оптической модуляции?

 

На рисунках 5.2 и 5.3 проиллюстрированы особенности протекания процесса модуляции оптического излучения аналоговым и цифровым электрическими сигналами.

 

 

Рис. 5.2. Модуляции интенсивности оптического излучения аналоговым электрическим сигналом

 

Описание: image061

Рис. 5.3. Модуляции интенсивности оптического излучения лазерного диода цифровым электрическим сигналом

 

          На рисунке 5.3 использованы следующие обозначения:

Iн - ток накачки; Iсм - ток смещения, Iп - пороговый ток лазерного диода; Is - ток имульса; Po - средняя мощность оптического импульса; Ps - мощность оптического сигнала; τз – время задержки.       

 

                                                      

6. Теоретическая часть

(для 4, 5 лабораторных работ)

 

Способы модуляции информационного потока оптической несущей в ВОСС

 

Как известно, передача информационного потока по ОВ требует преобразования информационного сигнала оптической несущей световой волны. Этот процесс состоит из изменения одного или нескольких параметров светового излучения называется процессом модуляции оптического излучения, оно происходит под действием механического или оптического сигнала, электрического тока или напряжения или звука.

Иначе говоря, если оптическое излучение рассматривать как плоскую монохроматическую волну, то её распространение по времени по пространству выражается следующей формулой, которая хорошо известно по физической оптике:

 

E(x,t)=Emcos[2π(n t- n n/Сox+φo)],                                 (5.2)

 

где Е - напряженность электрического поля световой волны, Еm - амплитуда этой напряженности электрического поля, n - частота колебаний, t - время, n - показатель преломления среды, С0 - скорость света в вакууме, Х - координата по  направлению распространения излучения, φ0-начальная фаза колебаний.

Как видно из формулы (5.2), процесс модуляции оптической несущей соответствующим информационным сигналом можно обеспечить изменением амплитуды, частоты, фазы и направления вектора поляризации. Оптический сигнал, распространяясь по волокну, далее поступает на фотоприёмник. Современные фотоприёмники фиксируют световое излучение только по интенсивности. Поэтому широко используется модуляция по интенсивности.

         Если использованы другие виды модуляций, в дальнейшим требуется модулировать их по интенсивности.

Существуют различные способы получения модулированного светового излучения.

Из них первая - это непосредственная, прямая модуляция, при которой модуляция излучения ЛД или СД достигается путем изменения тока накачки. (рис. 5.1,а).

Во втором способе называемым внешней модуляцией, распространяемый световой поток от светового источника модулируется с помощью специального устройства - модулятором (рис.5.1,б). И наконец, если есть соответствующий модулятор, то его можно ввести в лазерный резонатор и осуществить таким образом внутреннюю модуляцию (рис. 5.1,в).

Внутренняя модуляция является по существу разновидностью прямой модуляций.

         Прямая модуляция оптической несущей связана с достаточной степенью быстродействия СД и ЛД используемых в системах ВОС и возможностью эффективного управления физических процессов, возникающих в них с помощью электрического сигнала. Это обусловливается малым временем жизни не основных носителей, которые определяют процесс работы этих устройств.

В частности, с помощью многомодовых лазеров скоростной импульс 400 Мбит/с – можно осуществить кодовую модуляцию. Использование одномодовых лазеров дает возможность увеличения скорости передачи в несколько гигогерцов. На сегоднящний день существуют лазерные диоды работающие на скорости 14 ГГц и выше.

 

Модулированный

источник

 

Немодулированный

источник

 

 

Модулятор

 
 


                       

 

 

 

 

 

          Управляющий сигнал                                                                          Управляющий сигнал

                              a)                                                                                              б)

 

 

 

 

 

 


резонаторы лазера

                                                                              в)

Рис. 5.1. Способы модуляции светового излучения на прямую (а), внешную (б) и внутренюю (в)

 

Можно воспользоваться способом прямой модуляцией интенсивности осуществляемой досадой светодиодов являющиеся источником, имеющие спонтанный характер немонохроматические и некогерентные излучения. Энергия излучения в фотодиодах линейно изменяется с увеличением протекаемого в нем инжектионного тока, и его значения ограничиваются только теплоэффектом.

Световое излучение можно модулировать под воздействием аналоговых и цифровых сигналов.

Световой источник – процесс модуляции по интенсивности под воздействием аналогового электрического сигнала в свето- и лазерных диодах происходит следующим образом. Электрический сигнал в виде аналога, поставленный на световой источник приводит к такому же изменению энергии излучения (рис. 1.5). Здесь берется так, чтобы обозначаемая параметрами P0 и i0 рабочая точка поместилась в линейном кусочке ватт-амперной характеристики.

Модуляция осуществляется в режиме работы А и коэффициент модуляции для этого случая определяется следующим образом:

 

    m(Iмакс-Iмин)/( Iмакс+ Iмин)= Iд/Io=(Pмакс-Pмин)/(Pмакс+Pмин),   (5.3)

 

где – Iд– значения действующей силы тока модуляционного сигнала.

 

Процесс модуляции под воздействием аналогового сигнала требует высокий уровень линейности характеристики (или минимальные амплитуды гармоник). Для уменьшения нелинейных разрушений нужно уменьшить глубину модуляции (этот процесс приведет к уменьшению отношения сигнал/шум) или можно осуществить компенсацию этих искажений.

 

 

Рис. 5.2. Источник света – процесс модулирования интенсивности светодиода или лазерного диода при воздействии аналогового электрического сигнала

 

При модуляции интенсивности света под воздействием цифрового электрического сигнала возникнет импульсное увеличение тока и происходит задержка между началом излучения. На рисунке 5.3 показаны процессы отсоединения и присоединения связанные с импульсным увеличением и уменьшением тока лазерного диода.

 

 

 

Рис. 5.3. Процесс модуляции интенсивности излучения лазерного диода под воздействием цифрового электрического сигнала

 

При скачкообразном увеличении тока сначала растет напряжение U, после начнется излучение с опазданием tоп и с временем увеличения τувл. При разрыве тока интенсивность излучения снижается по экспоненсиальному закону равный приблизительно постоянству времени τ.

Во время цифровой модуляции для уменьшения задержки времени необходимо поставить напряжение больше, чем напряжение, совпадаемое с напряжением граничного тока лазерного диода. В этом случаи задержанное время уточняется только с увеличенным и уменьшенным временем. Эти времени уменьшают постоянство импульса минимум в 2τ. Исходя из этого, значение задержавшегося времени τ обозначает частотные функции лазерного диода.

 

Учебная лабораторная установка «Модель оптического линейного тракта»

 

1.Общая характеристика установки

 

         На базе данной установки могут быть выполнены  следующие лабораторные работы.

         1.Исследование  характеристики лазерного диода и фотоприемника.

         2.Исследование процессов импульсной модуляции лазерного диода.

         3.Моделирование формы сигнала на приемном конце реальной оптической линии связи.

         4.Исследование процессов аналоговой модуляции лазерного диода.

         5.Измерение коэффициента затухания волоконного световода. 

         Выполнение перечисленных выше лабораторных работ позволяет:

         -осуществить измерение ватт-амперной характеристики лазерного диода, по которой в дальнейшем производится выбор положения рабочей точки при осуществлении импульсной и аналоговой модуляции оптического излучения;

         -исследовать зависимость фототока, вырабатываемого фотодиодом, от уровня оптической мощности на его чувствительной площадке для определения его спектральной чувствительности в выбранном диапазоне длин волн излучения;

         -исследовать зависимость глубины модуляции от положения рабочей точки на ватт-амперной характеристике лазерного диода для импульсного и аналогового модулирующих сигналов;

         -осуществить моделирование процессов в реальной оптической линии путем введения затухания  (с помощью переменного аттенюатора), дисперсионных искажений (с помощью предискажения формы модулирующего импульса) и регулируемого уровня шума в оптический сигнал, передаваемый по оптической линии связи.

 

2.Описание функциональной схемы лабораторной установки

 

         Блок-схема лабораторной установки изображена на рис.2.1. В ее состав входят следующие элементы.

1.      Универсальная кассета (сплайс-пластина), которая служит для фиксации мест термического соединения (сварки) волоконных световодов.

2.      Два отрезка четырехволоконного одномодового кабеля (желтый цвет защитной оболочки), оконцованный с одной стороны коннекторами типа SC/SPC (четырехволоконная полувилка   SC/SPC-4, SC/SPC-4, DST/4/SM 9/125). Неоконцованные стороны трех (из четырех) световодов этих отрезков попарно соединены между собой с помощью сварки. Термоусадочные трубки, защищающие места сварки зафиксированы в кассете 1.

3.      Два отрезка четырехволоконного многомодового кабеля (оранжевый цвет защитной оболочки), оконцованный с одной стороны коннекторами типа SC/PC (четырехволоконная полувилка SC/PC-4, SC/PC-4, DST/4/MM 50/125). Неоконцованные стороны трех (из четырех) световодов этих отрезков попарно соединены между собой с помощью сварки. Термоусадочные трубки, защищающие места сварки зафиксированы в кассете 1.

4.      Две коммутационные коробки серии W902 (настенный кросс), рассчитанные на 8 розеточных портов.  В коробках установлены:

         -четыре соединительных розетки типа SC-SC/UPC в вехнем ряду (для соединения одномодовых световодов, оконцованных коннекторами типа FC) ;

         -четыре соединительных розетки типа SC-SC/PC в нижнем ряду (для соединения многомодовых световодов, оконцованных коннекторами типа FC).  

      Оконцованные стороны четырехволоконных кабелей закреплены в коробках и коннекторы их световодов соединены с соответствующими розетками с внутренней стороны коробок.

5.      Плата с оптическими  элементами, на которой установлены:

         -две соединительных одномодовых розетки FC-D/UPC c керамическим      центратором;

         -нормализующая катушка, представляющая собой отрезок одномодового световода длиной 1000м оконцованный коннекторами FC/UPC (FC/UPC-SM 1000-FC/UPC).

6.      Плата с оптическими  элементами, на которой установлены:

         -фикированный аттенюатор-розетка для одномодового волокна FC/SM. Вносимое затухание – 20 дБ;

         -фикированный аттенюатор-розетка для многомодового волокна FC/МM. Вносимое затухание – 20 дБ;

         -переменный аттенюатор – розетка для одномодового и многомодового волокна FC/SM. Вносимое затухание 0 – 20 дБ.

7.      Плата с оптическими  элементами, на которой установлены:

         -две соединительных многомодовых розетки FC-D/PC c бронзовыми      центраторами;

         -нормализующая катушка, представляющая собой отрезок многомодового световода длиной 200м оконцованный коннекторами FC/UPC (FC/PC-МM 200-FC/PC).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    8.         Электронный блок «Источник оптического сигнала» (ИОС). Его лицевая панель изображена на рис.2.2.

         Он  обеспечивает генерацию оптического излучения в диапазоне длин волн λ=1,3 мкм и 1,5 мкм с помощью двух  лазерных диодов (полупроводниковых лазеров) LFO-14-ip (λ=1,3 мкм) и LFO-17-ip (λ=1,5 мкм) c выходной мощностью 1 мВт. Диоды состыкованы с отрезками одномодового волокна, которое оконцовано коннекторами типа FC/SPC. Подключение их  к внешним оптическим цепям осуществляется с помощью оптических розеток типа FC/UPC «ОПТИЧЕСКИЙ ВЫХОД», выведенных на лицевую панель (рис.2).

                   Включение одного из двух источников «λ=1,3 мкм» или «λ=1,5 мкм» осуществляется с помощью кнопочного переключателя «ВЫБОР ИСТОЧНИКА». Для контроля над оптическими розетками встроены светодиоды, которые светятся при включении соответствующего источника.

                   Регулировка режима работы включенного источника осуществляется с помощью двух ключей, задающих токи I0, I1, протекающие через pn переход лазерного диода. 

                   На лицевую панель выведены ручки потенциометров «I0», «I1», с помощью которых изменяется соответствующее значение тока.

                   Для контроля токов I0, I1 на лицевой панели БПИ имеются два цифровых индикатора «ТОК НАКАЧКИ, мА». Рядом расположено гнездо «КТ2» для подключения кабеля с разъемами СР-50 к осциллографу и контролю тока, протекающего через pn переход лазерного диода.             

                   Контроль работоспособности включенного лазерного диода производится по наличию мощности на его выходе. Измерение мощности производится с помощью встроенного в корпус лазеров фотодиодов, ток которых  отображается двумя цифровыми индикаторами «ОПТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ, ОТН. ЕД. ». Следует помнить, что показания индикатора имеют относительный характер.

                   Поскольку предусмотрена возможность модуляции оптического излучения, для контроля мощности используются два индикатора. Первый  - «СРЕДНЕЕ» - отображает средний уровень оптической мощности, излучаемой включенным лазерным диодом. Второй – «АМПЛИТУДА» - амплитудные значения. Его показания отличны от нуля только при включенной модуляции оптического излучения.

                   Контроль тока встроенного в к корпус лазера фотодиода может осуществляться с помощью осциллографа. Для этого  рядом с индикаторами расположено гнездо «КТ1» для подключения кабеля с разъемами СР-50.

                   В электронном блоке предусмотрена возможность импульсной или аналоговой модуляции оптического излучения. Включение этого режима осуществляется путем нажатия соответствующей кнопки переключателя «МОДУЛЯЦИЯ». Амплитуда модулирующего сигнала регулируется соответствующим потенциометром, ручки которых также выведены на лицевую панель. Рядом с ручками потенциометров  расположены гнезда «КТ3», «КТ4» для подключения кабеля с разъемами СР-50 и контроля формы модулирующего сигнала по экрану осциллографа.

                   В электронном блоке предусмотрена возможность введеня искажений формы модулирующего импульса для моделирования являения дисперсионных искажений, возникающих в реальной оптической линии связи. Включение этого режима осуществляется путем нажатия кнопки «ДИСПЕРСИЯ». Величина дисперсионного уширения импульса регулируется с помощью соответствующего потенциометра, ручка которго выведена на лицевую панель. Рядом расположено гнездо «КТ5» для подключения кабеля с разъемами СР-50 и контроля формы модулирующего сигнала по экрану осциллографа.

                   В электронном блоке предусмотрена возможность введеня аддитивной шумовой составляющей в модулирующий сигнал  для моделирования процессов, возникающих в реальной оптической линии связи. Включение этого режима осуществляется путем нажатия кнопки «ШУМ». Уровень шума регулируется с помощью соответствующего потенциометра, ручка которго выведена на лицевую панель. Рядом расположено гнездо «КТ6» для подключения кабеля с разъемами СР-50 и контроля формы модулирующего сигнала по экрану осциллографа.

                   На лицевой панели предусмотрено гнездо «СИНХРОНИЗАЦИЯ ОСЦИЛЛОГРАФА» для подключения кабеля с разъемами СР-50 ко входу синхронизации используемого осциллографа.

                   Питание электронного блока  осуществляется от сети 220v / 50Hz. Включение блока осуществляется тумблером с подсветкой «СЕТЬ» на лицевой панели.

9. Фотоприемник ФП. Его лицевая панель изображена на рис.2.3.

 

 

         Он  обеспечивает измерение мощности оптического излучения в диапазоне длин волн λ=(1,3-1,5) мкм с помощью   фотодиода типа PD-1375-ip. Диод состыкован с отрезком одномодового волокна, которое оконцовано коннектором типа FC/SPC. Подключение его  к внешним оптическим цепям осуществляется с помощью оптической розетки типа FC «ОПТИЧЕСКИЙ ВХОД», выведенной на лицевую панель (рис.2.3).

         Для контроля принимаемого оптического сигнала на лицевой панели ФП имеется два цифровых индикатора «ОПТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ, ОТН. ЕД.». Первый  - «СРЕДНЕЕ» - отображает средний уровень принимаемой оптической мощности, а второй – «АМПЛИТУДА» - амплитудные значения. Его показания отличны от нуля только при включенной модуляции оптического излучения.

         Оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку фотодиода, вызывает изменение тока (фототока), протекающего через его pn переход. Переключение пределов измерения производится кнопочным переключателем «ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ». Нажатие кнопок «0,001; 0,01; 0,1; 1» на лицевой панели приводит к изменению коэффициента усиления фототока.

 

         Фототок прямо пропорционален значению оптической мощности на чувствительной площадке фотодиода. Поэтому показания цифрового индикатора пропорциональны этой мощности, но не равны ей. Измерение с помощью фотоприемника осуществляется в относительных единицах.

         На лицевую панель фотоприемника выведен кнопочный переключатель и ручка потенциометра «УСТАНОВКА НУЛЯ». При переключении пределов необходимо нажать эту кнопку и с помощью потенциометра установить нулевые показания индикатора «СРЕДНЕЕ».

         На лицевую панель выведена ручка потенциометра «РЕГУЛИРОВКА СМЕЩЕНИЯ, В». С ее помощью изменяется напряжение смещения, подаваемого на фотодиод. Контроль этого напряжения осуществляется по цифровому индикатору  «НАПРЯЖЕНИЕ СМЕЩЕНИЯ, В».

         На лицевую панель выведено гнездо «ВЫХОД УСИЛИТЕЛЯ» для подключения кабеля с разъемами СР-50 и контроля формы принимаемого оптического сигнала по экрану осциллографа.

 

         Питание электронного блока  осуществляется от сети 220v / 50Hz. Включение блока осуществляется тумблером с подсветкой «СЕТЬ» на лицевой панели.                 

10. Измеритель оптической мощности «Алмаз 33», который используется в качестве эталонного измерителя оптической мощности. Оптическая мощность подается  на его вход с помощью волоконного шнура. Прибор имеет автономный источник питания и сетевой адаптер (11). Работа с прибором производится на основании его технического описания, входящего в комплектацию лабораторной установки.

12.   Двухканальный осциллограф.

         Кроме того, в состав лабораторной установки входят волоконные соединительные и переходные шнуры (ВС), служащие для соединения элементов установки между собой. В комплект установки входят:

         -3 соединительных многомодовых шнура (оранжевый или синий цвет защитной оболочки) с коннекторами FC/РС;

         -3 соединительных одномодовых (желтый цвет защитной оболочки) шнура с коннекторами FC/SPC;

         -2 соединительных многомодовых шнура (оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами SC/PC;

         -2 соединительных одномодовых шнура (желтый цвет защитной оболочки) с коннекторами SC/SPC;

         -2 переходных многомодовых шнура (оранжевый цвет защитной оболочки)с коннекторами FC/ РC-SC/PC;

         -2 переходных одномодовых шнура (оранжевый цвет защитной оболочки)с коннекторами FC/ SРC-SC/SPC.

         В состав лабораторной установки входят три коаксиальных кабеля с разъемами СР-50 для подключения осциллографа к     контрольным точкам электронных блоков и подачи сигнала синхронизации.

 

 

      

 

 

 

 

  Лабораторная работа №6

 

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ (НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ STM-1)

 

1.     Цель работы

 

1.1. Изучить  принципы построения оптических систем связи (на основе системы передачи STM-1).

1.2. Изучить формирования модуля STM-1 на основе потока.

1.3. Изучить назначения заголовок POH и SOH и указатели систем STM-1.

 

2.     Задание к работе

 

2.1. Изучить варианты построения модуля STM-1 [стр. 3-26-38].

2.2. Необходимо создать страницу для отчета необходимой схемы стркутуры STM-1 (формированный загрузкой потока E1).

2.3. Изучить литературы 3 стр.248-304, лит-ры 4 стр. 17-19 и 39-48, лит-ры 5 стр. 225-264, лит-ры 6 стр. 90-96.

 

3. Краткое содержание структуры системы передачи STM-1

 

         От (2) известно, что синхронные транспортные модули могут формироваться на основе нагрузки различных потоков (рис. 6.1).

На данном рисунке установлены следующие условные знаки:

         C-11 T1=1,5 Mбит/с; контейнер трибов;

         C-12 T1=2 Mбит/с; контейнер трибов;

         C-2 T2=6 Mбит/с va E2=8 Mбит/с; контейнер трибов;

         C-3 E3=34 Mбит/с va T3=45 Mбит/с; контейнер трибов;  

         C-4 E4=140 Mбит/с контейнер трибов;

         VC-11, VC-12, V-2 виртуальные контейнеры нижних слоев;

         VC-3- виртуальные контейнеры верхних слоев;

         TU-11, TU-12, TU-3-блоки трибы;

         TUG-2 va TUG-2 и 3 слои, которым соответствуют группы блоков триба;

         VC-3 va VC-4 – 3 va 4 слои, которым соответствуют виртуальные слои;

         AU-3 va AU-4 – 3 va 4 слои административных блоков;

         AUG-группа административных блоков;

         STM-N – синхронный транспортный модуль (N=1, 4. . . . .).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 6.1. Формирование синхронного транспортного модуля N-уровня от сигналов триба

 

         На рисунке:  xn-временная группировка;                     настройка;                размещение;  ST- дополнительный символ.      

         На практике известны формированные от трибов Е1 модуля STM-1. Схема одного из этих модулей приведено на рисунке 6.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 6.2. Формирование синхронного транспортного модуля STM-1 от потоков Е1.

 

На рисунке видно, что в процессе формирования синхронного транспортного модуля к нагрузке сначала добавляются выравнивающие биты, а также фиксированные, управляющие и упаковывающие биты. К сформированному контейнеру С-12 (основной задачей контейнера является размещение внутри себя информационных потоков, причем емкость информационного потока всегда меньше емкости контейнера) добавляется заголовок маршрута VC-12 РОН (Path Overhead), в результате формируется виртуальный контейнер. Добавление к виртуальному контейнеру 1 байта указателя (PTR) превращает первый в блок нагрузки (TU). Затем происходит процедура мультиплексирования блоков нагрузки в группы блоков нагрузки (TUG) различного уровня вплоть до формирования виртуального контейнера верхнего уровня VC-4. В результате присоединения заголовка маршрута VC-4 РОН образуется административный блок (AU-4), к которому подсоединяется секционный заголовок SOH (Section Overhead). Учитывая разделение маршрута на два типа секций, SOH состоит из заголовка регенераторной секции (RSOH) и заголовка мультиплексорной секции (MSOH) (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Структура SOH на STM-1 уровне. Цикл передается в промежутке 125 микросекунд, то есть 8000 циклы/сек (155520 Мбит/с)

Показатели играют важную роль в SDH, потому что они тесно связаны с процессами загрузки цифрового потока и освобождения, управления и другими процессами. Поэтому необходимо точно представить, для чего необходимы два вида показателей.

Секционный заголовок (SOH) употребляется в сетях SDH для управления сервисными каналами, выполнения функции сервиса, автоматическая управления резервных соединений и обеспечения резерва, обеспечения каналов для передачи спец – информаций.

Заголовок маршрутизации (POH) используется для осуществления установки виртуального контейнера (VC) при взаимодействии заголовка верхнего и нижнего уровня; для передачи сигналов об неисправностей (alarms), которые передают информацию о построении мультиплексирования; для мониторинга качества в пределах VC, обеспечивающий службу сетей.

         Показатели блоков TU и AU применяются для динамического размещения нагрузок в контейнерах SDH.

         Рассмотрим процессы, связанные с нагрузками и освобождения цифрового потока в модуле транспортной сети SDH (транспортный модуль STM-N). Нагрузка цифрового потока транспортного модуля показана на рисунке 1. На рисунке видно, что процесс нагрузки цифрового потока связано с использованием процесса прировнения (битового стаффинга), активностью показателей, а также с использованием POH и SOH. Известно, что на SDH сети передачи размеры контейнера стандартизированы. Учитывая максимально возможную вариацию скорости потока, его размер намного больше нагрузки, соответствующей с уровнем иерархии РDH. С помощью способа битового стаффа выполняется его выравнивание от нагрузки цифрового потока, для этого используется часть контейнера.

         Различают два вида битового стаффа:

         - плавное прировнения, состояние любой времени относительно начале цикла имеется в виду не только компенсация разницы скорости нагрузки цифрового потока, но и его вариация. В этом случаи полезная нагрузка на контейнере может резко увеличиваться или уменьшатся, в этом он дает возможность контейнеру загрузится с вариацией скорости потока. Обеспечения ровного потока в нескольких участках контейнера имеется ввиду площадь меняющегося стаффинга. При бит-информационном или при бит-прировнителе и в процессе освобождения переменного стаффинга должны уничтожатся периодически повторяющиеся индикаторы стаффинга;

- стандартный размер состава контейнера имеется ввиду прибавление дополнительных битов. В процессе плавного прировнения, приравниваются биты с индикаторами, в процессе записанного прировнения не пользуются индикаторами. Место присвоения площади стаффинга отмечается структурой контейнера.

В процессе нагрузки и освобождения цифрового потока в синхронном транспортном модуле, обычно используются оба вида приравнения. Приравнения играют очень важную роль, потому что обеспечивают компенсацию от выхода синхронизации загруженного потока, так  обеспечивают вариацию скорости. Допустимые значения вариации скорости загрузочного потока в иерархии PDH приведены на графике 6.1.

Рассмотрим асинхронную загрузку потока на примере 2 Mбит/с на виртуальных контейнеров в нижним уровне. Этот вариант загрузки цифрового потока используется часто (рис. 6.4).

         На данном рисунке задано структура потока E1 (2048 Kбит/с) по байту загруженному синхронному транспортному модулю, отдельно показаны байты POH (V5, J2, N2 и K4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6.1.

Допустимые значения вариаций скорости потока нагрузки и разные виды контейнеров

 

Скорость цифрового потока, Mбит/с

Максимальная допустимость вариации скорости, rrt;

Скорость цифрового потока в контейнерах, Mбит/с

Наименование контейнера

 

1,544

50

1,600

S-11

2,048

50

2,176

S-12

6,312

30

6,784

S-2

34,368

20

36,864

S-3

44,736

20

48,384

S-3

139,260

15

149,760

S-4

 

V5

R

32 bayt

R

J2

C1C20000RR

32 bayt

R

 N2

C1C20000RR

32 bayt

R

K4

C1C2RRRRS1

S2DDDDDDD

31 bayt

RRRRRRRR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C – индикатор стаффинга

D - информационный бит

                                                          Oбиты загаловок

                                                          R- отмеченные биты стаффинга

                                                                    S – стаффинговый или                       информационный бит

S - indikator staffinga D - informatsionnыy bit O - bitы zagolovka R - bitы fiksirovannogo

staffinga

S - staffingovыy ili

informatsionnыy bit

S - indikator staffinga D - informatsionnыy bit O - bitы zagolovka R - bitы fiksirovannogo

staffinga

S - staffingovыy ili

informatsionnыy bit

       

Рис. 6.4. Асинхронная нагрузка 2 Mбит/с потока на синхронном транспортном модуле

 

 

 

 

 

 

Подробно изучим состав заголовка (рис. 6.5). Из рисунка видно, информация о цикловой синхронизации (A1, A2) повторяется три раза, это связано с воссоединением стандартов SDH и SONET.

         Байты D1-D12 воспроизводят канал, передающий информацию, который может быть использован в системах самодиагностики и в системах TMN. Например, использование рабочих каналов передающих информацию созданных байты D, дает возможность реконфигурации сети единого центра.

 

 

Структура заголовка SOH

 

RSOH

A1

A1

A1

A2

A2

A2

C1/ J0

X

X

B1

E1

 

F1

X

X

D1

D2

 

D3

 

 

Указатель (PTR, AU)

MSOH

B2

B2

B2

K1

 

 

K2

 

 

D4

 

 

D6

 

 

D6

 

 

D7

 

 

D8

 

 

D9

 

 

D10

 

 

D11

 

 

D12

 

 

S1

Z1

Z1

Z2

Z2

M1

E2

X

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.5. Структура заголовка SOH

 

A1, A2      сигнал цикловой синхронизации;

D1, D3     канал 192 кбит/с для управления секции рег.;

D4-D12   канал 578 кбит/с для управления секции мульт.;

M1           BIP (FEBE) потверждение ошибок;

B1           контроль точности (BIP-8);

B2          контроль точности (BIP-24);

C1           идентификатор STM-1;

J0           трасса секции регенератора;

K1, K2    управление резервным соединителем;

Z1, Z2     резервирован для будущих функций;

E1, E2     служебные каналы голосовой связи;

X             резерв для национального использования;

F1           резервирован для создания передачи начальных информаций;

            не используется;

S1           индикатор качества синхронизации;

·                   байты связанные со средой передачи.

 

         Трасса секции регенератора, выполняет функции байта J1 на POH. В проведении тестирования в системе SDH важным считается рабочий канал F1, в нем передается информация о результатах контроля точности и нахождении ошибок. В состав байтов F1 входят идентификаторы регенераторов R1 и информационные биты S, которые передают информацию об ошибках (рис. 6.6).

         Для анализа работы системы SDH большое внимание имеют байты К1 и К2 заголовка SOH. Данные байты обеспечивают резервное подключение сети и быструю реконфигурацию. В настоящее время широко распростронены сети самоисправления, двигательный механизм которых связан с быстрой реконфигурацией и переходом на резервный ресурс. Такие же процедуры обеспечиваются байтами К1 и К2. Поэтому их анализ обеспечивает работа надежность процессов резервирования их анализа.

 

 


Направление передачи

 

 

S

 

S

 

 

R1

 

R2

 

R1

 

R1

 

R1

 

R1

 

 

 

Передача в норме

0    1  ошибка MAJ ERR; B1 отношения ошибки превышает размера границы;

1    0  REC; потеря цикла или отсутствие сигнала;

1    1  ERR MON; B1 отношения ошибки в пределах границы.

 

Рис. 6.6. Структура канала управления F1

 

 

      Структура заголовка POH

 

         Маршрутный заголовок POH контролирует параметры качества передачи контейнеров. Он одновременно перемещается с контейнером начиная с точки формирования до точки распределения. Структура и размер заголовка POH вычисляется видом контейнера. Это означает, что заголовок отличается двумя основными видами:

- маршрутный заголовок высокого уровня,  используемые для контейнеров VC-4/VC-3(HLgh-order POH-HO-POH);

- маршрутный заголовок низкого уровня, используемые для контейнеровVC-3/VC-2/VC-1(Low-order POH-LO-POH).

Рассмотрим маршрутные заголовоки верхних и нижних уровней. Структура заголовка HO-POH приведено на рисунке 6.7.

Структура заголовка LO-POH приведено на рисунке 6.4 и состоит из 4-ех повторяющихся циклов V5,J2,N2 и K4.

 

 

 

 

 

J1

B3

C2

G1

F2

H4

F3

K3

N1

Подпись: Индикатор направления
Мониторинг качества (BIP-8 код)
Указатель в виде полезной нагрузки
Подтверждение ошибок при передаче
Сигналы услуг
Индикатор верхнего цикла
Сигналы услуг
Автосоединение
Мониторинг единого соединения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.7. Структура заголовка POH

 

Для технологии передачи важным считается байт V5, в нем передается информация о точности проверки, индикация ошибок и о виде нагрузки. Построение байта V5 приведено на рисунке 6.7. Байты J2, N2 и К4 похожи на байтов HO-POH J1, N1 и К3. Все остальные площади информации (байты С, С1 и В) присоединены к байту V5 на заголовке маршрутизации низкого уровня.

 

 

BIP-2

 

  

RE1

 

 

RF1

 

 

L1

L2

L3

RDI

 

 

Показатели вида нагрузки

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

7

 

8

 

 

 

 

 

0

0

0

Контейнер не загружен

 

 

 

 

0

0

1

Контейнер загружен, нагрузка неспециализирована

 

 

 

 

0

1

0

Асинхронная загрузка

 

 

 

 

0

1

1

Бит-синхронная загрузка

 

 

 

 

1

0

0

Байт-синхронная загрузка

 

 

 

 

1

1

0

Тестовый сигнал по 0.181

 

 

 

 

1

1

1

VC-AIS

 

 

Рис. 6.8. Построение байта V5

 

         Функции площади байта V5: точность контроля BIP-2 VC-12, информации подтверждения REI-Remote Error Indication-BIP-2 (дальную крайную ошибку), RFI-Remote Fault Indication-дальняя крайняя ошибка, RDI-Remote Defect Indication – дефект дальной крайней ошибки передается при индикации – потеря цикловой синхронизации.

         Первые функции показателей считаются намного важными, потому что главное преимущество технологии SDH является нет понадобности пошагового мультиплексирования/демультиплексирования. Показатели административного блока AU PTR и загрузочного блока TU PTR обеспечивает правильное вхождение в загрузочный поток в желаемом уровне синхронного транспорта (рис. 6.9).

        

 

Рис. 6.9. Механизм обеспечивающий правильное вхождение в загрузку

Из рисунка 6.9. видно, что в передающих системах SDH используются два вида показателей: административный (AU-PTR) и трибутарный (TU-PTR). Показатели осуществляются байтами H. Рассмотрим показатели AU-4 приведенные на рисунке 6.10 в виде примера построению показателей.

  

 

Рис. 6.10. Структура показателя AU-4

 

Начало каждого контейнера VC-4 уравнивается с числом совпавшим с состоянием загрузочной площади данного контейнера. Каждый такой процесс (или клеточка) объединяет в себе по три байта. Клеточка под числом 0 определенно приходит после 9 байтного показателя (Н1-Н3) в составе SOH STM-1. По стандарту учитывается до 782 клеточек в площади нагрузки. В потенциальном положении показатели могут обеспечить индикацию до 1023 клеточек. Исходя из этого, показатели обеспечивают индикацию положение виртуальных контейнеров. Механизма формирования показателя приведено на рисунке 6.10, механизм, обратный механизму поиска нагрузки можно рассмотреть на рисунке 6.11.

Как было упомянуто, все пути сигналов, передаваемых по системе передачи SDH, так же как и секции мультиплексора, у которых низкоуровневое, высокоуровневое направление и выполняющие физическое соединение, можно увидеть в виде нескольких участков. Соответственно развитие транспортного модуля разделяется на три уровня, в которых участвуют инструменты формирования низкоуровневого и высокоуровневого (Assembler) виртуального контейнера и инструменты транспортного модуля. При состоянии нагрузки и мультиплексировании, показателям отдается передоваемая цифра. Для отделения нагрузки, используя анализ показателей, используется обратный порядок (Disassembler).

 

   Физическое соединение

 

 

 

 

 


Логический маршрут

верхнего уровня

 

 

    Логический маршрут

нижнего уровня

 

 

2Mбит/с                                                                                                                                                  2Mбит/с                                                                                                      

                                                                                                                                                                     

 

Рис. 6.1. Формирование SDH сигнала

 

         Кроме основных задач показатели выполняют еще одну важную работу, то есть показывают место нагрузки в площади информации. Он важен не только для пояснения механики оборудования, но и для эксплуатации и измерения. Речь идет о порядке обмена выхода синхронизации в системах SDH. Показатель сдвига алгоритмов в технологии SDH подразумевает их использование приравнивания событий скоростей, на него можно смотреть как на порядок байтстаффинга (потому что, показатель показывает 3 байта или 24 бита).

 

 

5. Отчет по лабораторной работе

 

             5.1. Схема формирования модуля STM-1.

             5.2. Построения заголовка POH.

          5.3. Построения заголовка SOH.

             5.4. Функции показателей.

 

 

6. Контрольные вопросы.

 

            6.1. Что подразумевает система SDH?

            6.2. Как формируется модуль STM-1?

            6.3. Для чего употребляется процедура стаффинга?

            6.4. Построение и функция POH.

            6.5. Построение и функция SOH.

            6.6. Функции показателей.

 

 

         Лабораторная работа №7

 

ИЗУЧЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ ЛИНЕЙНЫХ КОДОВ ЦИФРОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

1. Цель работы

 

Изучить требования к цифровым линейным кодам, ознакомиться с классификациями и формированиями их, практически ознакомиться с временной диаграммой и формированием кодов класса 1B2B.

 

               2. Суть лабораторной работы

 

2.1. Ознакомиться  с обобщенной схемой построения  передатчика-приемника приведенной на рис. 5.1.

2.2. Изучить особенности, классификации и формирования линейных кодов цифровых ВОСП (волоконно-оптических систем передачи).

2.3. Изучить  алгоритмы кодирования и применения сигналов кодов BI-L 

2.4. Получить графики временной диаграммы формирования, алгоритмы формирования и особенности оптических линейных кодов класса 1B2B.

 

3.     Задание к лабораторной работе

 

3.1. Изучить литературу: [1] стр. 282-293, [2] стр.107-113, [5] стр. 118-120;

3.2. В подготовленном бланке отчета преподаватель должен указать цифровые кодовые комбинации для преобразования кодов NRZ в коды BI-L;

3.3. Показать последовательность по времени различных кодов класса 1В2В по заданному алгоритму кодирования (рис. 5.2 и 5.3) для численных замен указанных преподавателем, а также изучить своеобразные свойства, преимущества и недостатки цифровых оптических линейных кодов.

 

4.       Порядок выполнения лабораторной работы

 

4.1. Открыть на рабочем окне содержание виртуальной лабораторной работы.

4.2. Нажать правой кнопкой мышки на 1-кнопку содержания. Войти на страницу «Информация о волоконно-оптической системы передачи» и изучить основные понятия. Для возврата на главную страницу нажать на кнопку «содержание».

4.3. Для изучения оптических линейных кодов проведя нажать правой кнопкой мышки на 2-ю кнопку содержание, так же нарисовать диаграмму изменения кода NRZ на код BI-L по времени, нажав на «рисунки» на той же странице.

4.4. Вернутся на страницу содержания на рабочем окне, нажав сначала на кнопку «назад», после нажать на «содержание».

4.5. Изучить и нарисовать схему оптического передатчика, нажав на 3 кнопку на странице содержания.

4.6. Правой кнопкой мышки нажать на блок «Кодер» на схеме и приступить к выполнению виртуальной лабораторной работы. После чего выполняются:

4.6.1. Ввести начальную восьмиразрядную кодовую комбинацию на панели «входной сигнал» и нажать на кнопку «принять».

4.6.2. Выбрать на панели «выберите вид кода» вид кода и нажать на «кодирование».

4.6.3. Здесь начальные восьмиразрядные кодовые комбинации меняются на цифровые линейные коды. Нарисовать временные диаграммы и алгоритмы кодирования начальных кодовых комбинаций и оптических линейных кодов.

4.6.4. На панели «выберите вид кода», выбрав другие виды линейных кодов, повторить пункты с 4.6.1 по 4.6.3.

4.7. Нажав на «содержание», вернутся на страницу содержание виртуальной работы.

4.8. Нажать на странице содержания на кнопку 4, войти на страницу «тестовые вопросы» и ответить на вопросы.

 

5. Содержание отчета

 

5.1. Осциллограммы реализации сигналов с кодом BI-L (по образцу рис. 7.4), полученные при выполнении лабора­торной работы.

5.2. Алгоритмы кодирования и реализации сигналов для задан­ных преподавателем 8-и разрядных комбинаций и кодов класса IB2B.

5.3. Выводы по работе.

 

6. Контрольные вопросы

 

6.1. Какие требования предъявляются к линейным оптическим кодам?

6.2. Какие критерии выбора конкретного кода?

6.3. В чем отличия между собой линейных кодов IB2B?

6.4. Для чего используются коды m B n B, где m≥2, n>m?  Чем они отличаются от кодов IB2B?

6.5. Чем отличаются коды класса IB2B?

6.6. Как осуществляется преобразованиеNRZ-кода в В1-L код?

 

7.Теоретическая часть

7.1.  Краткие теоретические сведения по линейным цифровым кодам

 

Линейный циф­ровой оптический сигнал имеет однополярную после­довательность импульсов, импульсы которого также могут быть только положительными или нулевыми (нет «отрицательных» фотонов).

 

7.2. Требования к линейным кодам

 

Краткие теоретические сведения по линейным цифровым кодам

Особенностью оптического цифрового сигнала является то, что импульсы могут быть только однополярными или нулевыми, в отличие от двухполярных электрических импульсов,  используемых в линейном тракте.

При выборе линейного оптического кода руководствуются следующими критериями:

а) энергетический спектр сигнала должен быть достаточно узким, что будет способствовать снижению шумовых и дисперсионных полей;

б) энергетический спектр не должен содержать постоянной составляющей и иметь малое значение в низкочастотной области;

в) структура линейного кода должна обеспечивать простейшее выделение тактовой частоты из цифрового сигнала для формирования импульсов тактовой синхронизации в регенераторах;

г) структура кода должна обеспечить контроль качества пе­редачи и исправности оборудования, а также простоту схемной реализации устройств кодирования и декодирования.

В силу отсутствия оптимального кода, удовлетворяющего всем требованиям, используется целый набор кодов,  све­дения о которых можно получить на основе рисунков, дающих представление как об алгоритме кодирования и реализован­ных сигналов (рис. 7.2, 7.3), так и об их спектрах (таб. 7.1, рис. 7.4). Все приведенные коды относятся к наиболее простому и весьма распространенному классу IB2B, для кото­рого каждый импульс исходной последовательности перекоди­руется в два двоичных символа линейного кода, что приводит к удвоению тактовой частоты линейного сигнала. Существуют более экономичные коды по спектру типа mВnВ, где m≥2 nm. Но для этих кодов усложняется аппаратура коди­рования и декодирования.

 

7.1. Описание схемы формирования оптических линейных кодов

 

Макет представляет собой схемы передачи и приема опти­ческого излучения, промоделированного цифровым сигналом по интенсивности. Между собой схемы передачи и приема соединены отрезком оптического волокна.

Структурная схема макета приве­дена на рис. 7.1 и соответствует схеме, изображенной на лицевой панели макета. В структурную схему передачи входят:

- блок ввода информации;

- регистры, в которых эта двоичная информация запоминается;

- схема индикации этой информации;

- кодер BL-L  кода;

- генераторное оборудование;

- передатчик синхросигнала;

- устройство временного уплотнения, где синхросигнал объеди­няется с вводимой информацией;

- буферный каскад, где происходит усиление сигнала;

- передающий оптический модуль (ПОМ), осуществляющий электронно-квантовое преобразование.

В блоке ввода информации набор различных кодовых комби­наций  осуществляется вручную с помощью микропереключателей в виде посылки логических "0" и «I». На схеме индикации набранные "I" отображаются включенными (излучающими свет) светодиодами, а «0»-не излучающими светодиодами. Набранный код соответствует обычному двоичному коду NRZ (non return to zero - без возврата к нулю), который преобразуется в кодере в BI-L код. Реализация   BI-L   кода осуществляется (рис. 7.1) простейшей цифровой микросхемой сложения по модулю "2"  (ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ).

Схема приема содержит:

- блок ПРОМ (приемный оптический модуль), осуществляющий кванто-электронное преобразование;

- буферный каскад, где сигнал усиливается;

- приемник синхросигнала, где из общего временного сигнала выделяется синхросигнал;

- генераторное оборудование приема;

- декодер BI- L ,  в котором линейный код BI-L  преобра­зуется в код  NRZ;

- регистр для запоминания принимаемого кода сигнала;

- схема индикации принятого сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

s/s qabul qiluvchi

 
Рис. 7.1. Структурная схема приема – передатчика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 7.2   Алгоритмы кодирования кодов класса 1В2В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 7.1

 

Коды   класса 1В2В

 

Тип кода

Правила кодирования

Преобразование импульсов

Ширина полосы частот для передачи 90% энергии

«1»

«0»

NRZ  Код без возвращения к нулю 

«1»- уровень 1 на всем интервале; «0»- уровень 0 на всем интервале

 

    

    0    T          0   T

0,86/T

RZ  Код с возвращения к нулю 

уровень 1 на первой половине интервала Т;   уровень   0-на всем интервале

 

 

  0   T            0    T

1,72/T

BI-L  Абсолютный биимпульсный код

уровень 1 на первой половине интервала Т уровень 0 на второй  половине интервала Т

 

 

  0   T                   0    T

2,96/ T

BI-S Относительный биимпульсный код

«1» —переход в начале интер­вала Т; «0»-переход в нача­ле и середине интервала Т

 

 

  0  T   0  T      0  T    0  T

2,96/ T

CMI  Код с обращением

«1» — попеременно уровни 1 и 0 на всем интервале Т; «0» - на первой половине интервала

 

 

    0  T    0 T       0  T

1,7/ T

EP-1 Электронно-фотонный код

«1» —попеременно уровни 1 и 0 на всем интервале Т; «О»-переход в середине интервала

 

 

     0  T   0  T    0  T   0  T

1,52/ T

EP-2  Электронно-фотонный код

«1» —попеременно уровни 1 и 0 на всем интервале Т; «0»-попеременно уровни 1 и 0 на первой    и    второй   половинах интервала Т соответственно

 

 

     0  T   0  T    0  T   0  T

1,7/ T

Код Миллера

Начальному символу «0» в ставляются соответственно блоки 11 и 00, символу «1» блоки 01 и 10.

 

 

 

 

 

 

                           Рис. 7.3. Применение кодовых сигналов 1В2В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         Лабораторная работа №8

 

ИЗУЧЕНИЕ И ПРОВЕРКА ОПТИЧЕСКИХ РЕГЕНЕРАТОРОВ

 

1. Цель работы

 

Изучить принципы построения оптических регенераторов, и методы измерения их основных характеристик.

 

2. Содержание лабораторной работы

 

2.1. Изучение принципов построения регенерагеров анало­говых и цифровых сигналов.

2.2. Измерение и анализ временной диаграммы рабсты реге­нератора.

 

 

3.     Задание к работе

 

3.1. Изучить: страницы 274-281 [1] литературы, страницы 95-100 [2] литературы, 186-190 страницы [5] литературы;

3.2 Подготовить бланк, в который будут заноситься осцил­лограммы снятые в характерных точках регенератора.

 

          

4. Порядок выполнения работы

 

4.1. Войти в окно виртуальной лабораторной работы, нажав два раза на левую кнопку мышки на файл “Projekt 1

4,2. В окошке расположены кнопки «виртуальная лабораторная работа», «теоритические сведения» и «контрольные вопросы». Нажав на кнопку «теоритические сведения», изучить тракт линии численных опто-волоконных систем передачи, ретрансляторы, их виды, теоритические сведения о регенераторах.

4,3. При нажатии на кнопку «виртуальная лабораторная работа», появляется общая схема блока регенератора. Нажав на каждый блок (устройство), ознакомиться с их функцией.

4.4. На схеме, нажав на кнопку“REG” появляется схема строения блока регенератора. На схеме обозначены контрольные точки до 1÷6.

4.5. Через контрольные точки можно увидеть временные диаграммы входящих и исходящих сигналов каждого элемента. Для этого необходимо, нажав поочередности точки до 1÷6, и усовершенствовать нарисовать вид входящих и исходящих сигналов каждого блока регенератора, то естьвременные диаграммы работы регенератора.

4.6. Выход из программы.

4.7. На рабочем окненажать на «контрольные вопросы», где появятся контрольные вопросы для подготовки к защите выполненной работы.

 

5.Содержание отчета.

 

Отчет должен содержать в себе структурную схему ретранслятора и макет, также отредактированные результаты, использованные осцилограммы.

 

 

6.Контрольные вопросы

 

1.     Из чего состоит функция ретранслятора оптического сигнала?

2.     Как вы понимаете слово «ретранслятор»?

3.     Почему «ретранслятор» называют «регенератором»?

4.     Какие виды регенераторов вы знаете?

5.     Для чего разделяется тактовая частота?

6.     Как формируются приследоваемые импульсы?

7.     Характеристики оптического регенератора.

8.     С чем связано время вхождения в тактовый синхронизм?

 

 

7. Теоретическая часть

7.1.         Принципы построения регенераторов оптических сигналов

 

Па рис» 7.1 приведена обобщенная типовая .схема современной волоконно-оптической системы передачи. Из этой схемы следует, что основным элементом промежуточных (ретрансляционных) пун­ктов оптических линейных трактов являются регенераторы, обеспечивающие передачу оптического сигнала практически на любые расстояния с заданными показателями качества.

Необходимость использования   регенераторов вызвана тем, что оптический сигнал при прохождении через волоконные счето­воды кабеля испытывает затухания, обусловленное   собственными потерями из-за поглощения светового излучения и его рассея­ния в материале оптического волокна (ОB). Спектральная зави­симость этих потерь обусловливает амплитудно-частотные иска­жения сигналов. Кроме этого, дисперсионные явления в OB при­водят к рассеянию во времени спектральных или модовьх состав­ляющих сигнала, т.е. к различному времени их  распространения» что является причиной изменения формы и длительность; оптичес­ких импульсных сигналов. Эти искажения при определенных зна­чениях могут вызвать межсимвольные или интерференционные поме­хи при передаче импульсных сигналов.

Следует ещё учесть, что при прохождении по ОВ происходит затухание и отражение оптического сигнала в разъёмных и неразъёмных соединителях строительных длин оптического кабеля и компонентов системы передачи. Несмотря на большую защищенность ОВ от влияния внешних электромагнитных полей, оптический сигнал подвергается воздействию помех, обусловленных:

шумами источников излучения из-за дробовых явлений в светодиодах и лазерных диодах, спонтанными рекомбинациями носителей, флуктуациями поглощения и рассеяния и вынужденной эмиссией;

шумами токораспределения вследствие флуктуаций между раз­личными излучаемыми модами, т.е. модовым шумом из-за интерфе­ренции мод, распространяющихся в ОВ;

 

 

Рис. 7.1. Обобщенная схема волоконно-оптической системы передачи

 

(КОА (пер) – передающая часть цифровой каналообразующей аппаратуры;
АС1 – аппаратура стыка, состоящая из скремблера и преобразователя кода стыка; ОП – оптический передатчик;  РОС – ретранслятор (регенератор) оптических сигналов; ОПр – оптический приемник; АС2 – аппаратура, состоящая из преобразователя цифрового сигнала в код стыка и дескремблера;
КОА (пр) – приемная часть цифровой каналообразующей аппаратуры; 
ОК – оптический кабель).  

 

 

Рис. 7.2. Обобщенная структурная схема цифрового ретранслятора

 

шумами из-за отражения оптического излучения от торцевой поверхности ОВ;

межсимвольными искажениями из-за дисперсионных явлений в ОВ;

дробовыми шумами p-i-n и лавинных фотодиодов и их тем­повыми токами в приемниках оптического излучения;

тепловыми шумами резисторов, транзисторов, усилителей и других электронных схем компонентов системы передачи.

С помощью линейных ретрансляторов (регенераторов) осу­ществляется компенсация затухания ОВ, разъёмных и неразъёмных соединителей, устройств ввода-вывода оптического излучения, кор­рекции форм оптических и электрических сигналов, восстановле­ние необходимых временных и спектральных соотношений в исход­ных сигналах.

В последние годы в результате успешных исследовании и разработок новейших технологий в области квантовых усилителей в волоконно-оптических системах передачи последнего поколения стали применять в ретрансляционных пунктах вместо регенерато­ров полупроводниковые лазерные усилители и усилители не основе активных волокон, легированных ионами Эрбия, работающих в диа­пазоне волн 1,55 мкм.

Однако, в линейных трактах действующих систем передачи пока что широко используются ретрансляторы (регенераторы) опти­ческих сигналов.

Структура линейного ретранслятора определяется выбранными способом передачи оптического и электрического сигнала (анало­говый, импульсный, цифровой), видом модуляции, способом приема (непосредственное детектирование, когерентный прием и др.). В настоящее время волоконно-оптических системах передачи наибольшее распространение получили простая и надежная прямая модуляция интенсивности или мощности светового излучения ла­зерных или светоизлучающих диодов аналоговым или цифровым электрическим сигналом и прямое детектирование промоделиро­ванного по интенсивности оптического излучения с помощью p-i-n  и лавинных фотодиодов.

Линейные ретрансляторы подразделяются на аналоговые и цифровые или регенерационные ретрансляторы. Последние получили наибольшее распространение. Поэтому данная работа посвящена в основном их изучению и исследованию.

Цифровым ретранслятором называется устройство, предназна­ченное для преобразования цифрового оптического сигнала в электрический, его регенерация и последующего преобразования в оптический.

Обобщенная структурная схема цифрового ретранслятора приведена на рис. 7.2. На схеме обозначают:

          ОК – оптический кабель (станционный или линейный кабель);

         ОЭП – оптоэлектронный преобразователь. Преобразует оптический  сигнал в электрический. В качестве ОЭП используется p-i-n фотодиод или лавинный фотодиод;

         ПУ – предварительный усилитель;

         АК – амплитудный корректор, частично устраняет искажения, возникающие в первую очередь из-за дисперсии;

         ПрФ – приемный фильтр, ограничивает полосу частот в соответствии со спектром сигнала для устранения шумов и помех вне полезной полосы частот;

         АРУ – устройство автоматической регулировки уровня, из-за температуры могут изменятся свойства кабеля, ОЭП и соответственно изменяется уровень сигналов на входе устройства,  АРУ обеспечивает постоянный уровень входных сигналов на входе регенератора;

         УУ – управляющее устройство, управляет работу ОЭП с помощью сигналов, поступающих с устройства АРУ;

         Рег – регенератор восстанавливает форму электрических импульсов;

         ЭОП – электронно–оптический преобразователь преобразует последовательность электрических импульсов в последовательность оптических импульсов. В качестве ЭОП используется СД или ЛД.

Основным элементом ретранслятора является регенератор.

В зависимости от выполняемых функций различают цифровые ретрансляторы:

- с коррекцией амплитудно-частотных искажений импульсов, обусловленных дисперсионными явлениями в ОВ, регенерацией формы импульсов и восстановлением временных соотношений между импульсами линейного кода;

- с коррекцией амплитудно-чаототных искажений импульсов и регенерацией формы;

- только с коррекцией амплитудно-частотных искажений.

Основным узлом цифрового ретранслятора является регенера­тор. Его обобщенная структурная схема приведена на рис.7.3, где приняты следующие обозначения:

УО – усилитель - ограничитель;

АРУ – устройство автоматического регулирования усиления;

ПУ – пороговое устройство;

РУ – решающее устройство;

ВТЧ – выделитель тактовой частоты;

ФУ – формирующее устройство.

 

Назначение этих элементов можно рассмотреть из временных диаграмм работы регенератора (рис. 7.4). Здесь 1-6 формы сигналов в различных точках регенератора приведенного на рис.7.2.

Рассмотрим работу регенератора.

C выхода ПрФ (рис. 7.1) на УО поступают искажённые сигналы (1). УО управляется ещё схемой АРУ. АРУ дополнительно поддерживает постоянство уровня сигнала для правильного принятия решения «1» и «0» импульсов с помощью РУ. В УО сигналы усиливаются, и для подавления части помех ограничивается амплитуда (2).  С выхода УО сигналы поступают на вход ПУ и ВТЧ. На выходе ПУ сигналы появляются только тогда, когда его уровень выше Uпор (3). С выхода ВТЧ на вход РУ (4) поступают периодическая последовательность импульсов тактовой частоты fT=1/T, здесь Т-период следования импульсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 7.4. Временная диаграмма работы регенератора.

 

Если на один из входов РУ подается информационная последовательность с выхода ПУ (3), а на второй последовательность тактовых импульсов (4), то в случае их совпадения на выходе РУ появляются импульсы (5) с определенной амплитудой и длительностью. Эти импульсы передаются на ФУ. В ФУ происходит полная регенерация формы импульсов, формируются импульсы соответствующие исходным сигналам. Потом эти импульсы в ЭОП  преобразуются в последовательность импульсов оптического излучения (рис. 7.1).

Необходимо отметить, что периодическая последовательность импульсов на выходе ВТЧ (4) обязательно фазируется с откорректированными импульсами на выходе ПУ с целью уменьшения фазовых флуктуаций, обусловленных погрешностями работы ВТЧ.

ПУ и УО являются основными элементами регенератора, обеспечивающими его помехоустойчивость, и требуют точной установки порогового напряжения и стабильного усиления.

Изменение порогового напряжения в любую сторону снижает помехоустойчивость регенератора, так как приводит к нарушению оптимального соотношения между максимальным значением откорректированного импульса на выходе УО и пороговым напряжением ПУ. Для постоянной поддержки такого оптимального соотношения в регенераторах применяются устройство АРУ.

Благодаря описанным выше возможностям регенератора сигналы полностью восстанавливаются, устраняются помехи, обеспечивается качество связи, повышается помехоустойчивость. 

Поскольку в настоящее время в основном используются циф­ровые волоконно-оптические системы передачи с непосредствен­ной модуляцией оптического излучения цифровым сигналом и прямым детектированием, то обычно вместо термина "ретранс­лятор" используют термин "регенератор".

Применяемые регенераторы классифицируются по длине вол­ны оптического излучения, типу применяемых источников излуче­ния и его приёмников, пропускной способности и т.п.

 

 

         Лабораторная работа №9

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

 

1.     Цель и значение виртуальной лабораторной работы.

Определение характеристик и параметров оптического усилителя EDFA через виртуальную программу.

 

2.Задание к виртуальной лабораторной работе.

В виртуальной лабораторной работе необходимо изучить следующие:

         - структура оптического излучателя и его характеристики и параметры излучения.

- для отчета подготовить страницу содержащую краткое содержание теоритической части, информация о программе и таблицу для полученных результатов;

-  изучить:[1] литература158-181страницы, [2] литература100-107страницы [4] литература186-214страницы, [5] литература191-204страницы, [6] литература181-200страницы, [7] литература104-120страницы, [9] литература126-129.

 

3.Порядок выполнения виртуальной лабораторной работы.

 

Программная часть иртуальной лабораторной работы состоит из трех частей, первая часть имеет название «запуск».

 

9.1. Общий вид виртуальной лабораторной работы

           

            Вторая часть виртуальной лабораторной работы имеет название «счетчики», где на правой стороне находятся кнопки выбора и вывода параметров. Здесь находится окно для рисования наружного графика, то есть окно для вывода характеристик:

Рисунок 9.2. «счетчики» виртуальной лабораторной работы

 

 

В части, где находятся параметры, существуют «входное напряжение», «коэффициент усиления»и «спектр частоты», при расчете, для начало, способом выбора длины волны, изменяя входное напряжение, можно вычислить ниже указанные два параметра коэффициента усиления и спектр частоты. Здесь входное напряжения меняется от -30dBq на +10dBq, длина волны выбирается в промежутке 1530-1560 nm. Часть, где расположены параметры, имеет следующий вид:

 

 

        

9.3. Часть, где расположены параметры в виртуальной лабораторной работе.

 

В части, где расположены параметры, кроме вышеуказанных, находятся кнопки «нарисовать график» и «ХА» (характеристика амплитуды), с помощью которых строится график.

Третья часть виртуальной лабораторной работы носит название «задания», где находятся пять таблиц порядка выполнения виртуальной лабораторной работы, для заполнения результатов расчета в программе:

 

Рисунок 9.4. Раздел  «Задания» виртуальной лабораторной работы.

 

 

В данной виртуальной лабораторной работе рассмотрим несколько характеристик и параметров оптического усилителя:

1.     Определение коэффициента усилителя:

               g=10lg (Ps. chiq/Ps. kir)  yoki    G= Ps. chiq - Ps. kir, dB,                    (9.1)

здесь:                   Pc.chiq– сила выходного сигнала;

     Pc. kir - сила входного сигнала.

Для определения коэффициента усилителя используется формула (3,1). Сила выходаPs.вых.определяется с вводом в программу значений длины волны λ и силы входа Ps.вх. (-35 - +5dBm).

  Полученные значения записываются в таблицы 9,1 – 9,4. Здесь длина волны может иметь значение в промежутке 1530-1560 nm.

 

 

 

Таблица 9.1

 

λ=1530

Pвх,   дБм

-30

-20

-10

0

10

Pвых,   дБм

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.2

 

λ=1540

Pвх,   дБм

-30

-20

-10

0

10

Pвых,   дБм

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.3

 

λ=1550

Pвх,   дБм

-30

-20

-10

0

10

Pвых,   дБм

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.4

 

λ=1560

Pвх,   дБм

-30

-20

-10

0

10

Pвых,   дБм

 

 

 

 

 

G

 

 

 

 

 

 

         В результате заполнения вышеуказанных таблиц появляется возможность вывода амплитудной характеристики (взаимосвязь входного сигнала к выходному)оптического усилителя.

  Способ определения шумовой силы при входе:

Для определения шумовой силы при входе используем следующую формулу:

       Pшв= hν*Δν, dBq,           (9.2)

 

         здесь: h – постоянная Планка, h=3,34*10-34

         ν – частота передоваемой волны;

          Δν – спектр частоты,

         Δν=(c2)*Δλ            (9.3)

 

С помощью программы виртуальной лаборатории определяется спектр частоты Δν, заполняется таблица – 9,5. Сила шума при входе определяется по формуле 9,2.

 

9.5-jadval

 

λ, nm

1530

1540

1550

1560

Δν

 

 

 

 

Pshov kir, dBq

 

 

 

 

 

На основании таблицы 9.5 нарисовать график взаимосвязи между входящей силой шума и длины волны.

 

4. Отчет по виртуальной лабораторной работе.

 

         В отчете должны быть:

1.    Краткое содержание теоритической части.

2.    Схема построения оптического усилителя.

3.    Результаты и чертежи измерений.

4.    Вывод на основании полученных результатов.

 

 

5.    Промежуточные вопросы.

 

1. Дайте определение оптическому усилителю.

2. Какие существуют виды оптического усилителя? Опишите их.

3. Для чего применяются оптические усилители?

4. Опишите усилитель EDFA.

5. Какие параметры оптического усилителя вы знаете?

6. Какой формулой определяется коэффициент усилителя?

7. Какие характеристики оптического усилителя вы знаете?

8. Что такое насыщенная сила?

9. В чем отличие оптического усилителяи оптического регенератора?

20. Для чего используют оптический усилитель в технологии компактности волны?

 

6.  Образец для выполнения виртуальной лабораторной работы. Результаты, полученные в результате выполнения виртуальной лабораторной работы.

        

           

            Полученные результаты из раздела «расчеты» состоят из следующих:

Значения коэффициента усиления, полученные  с помощью изменений входящих сил при длине волны 1540 nm:

 

Рисунок 9.5. Результаты для -30 dBq , в местоположении параметров.

 

Рисунок 9.6. Результаты для -10 dBq , в местоположении параметров.

 

На таблице 9.6 приведены результаты, полученные при длине волны 1540 nm.

Таблица 9.6

λ=1540

Pвх,   дБм

-30

-20

-10

0

10

Pвых,   дБм

-3.2

3.5

12

14

15.3

G

26.8

23.5

22

14

5.3

 

 Значения коэффициента усиления, полученные  с помощью изменений входящих сил при длине волны 1550 nm:

 

Рисунок 9.7. Результаты для -20 dBq , в местоположении параметров.

Рисунок 9.8.Результаты для -0 dBq , в местоположении параметров.

 

 

На таблице 9.7 приведены результаты, полученные при длине волны 1550 nm.

 

 

Таблица 9.7

 

λ=1550

Pвх,   дБм

-30

-20

-10

0

10

Pвых,   дБм

-1

7.4

13.6

14.2

16

G

29

27.4

23.6

14.2

6

 

Ниже для каждой длини волны (1530 –1560 nm) для усиления потенциала коеффицента корреляции графов.

Рисунок 3.9  Взаимосвязь между входящей и выходящей силами для 1540 nm.

Рисунок 3.10. Взаимосвязь между коэффициентом усиления и входящей силой для 1540.

Рис 3.11. Взаимосвязь между входящей и выходящей силами для 1540 nm.

 

Рис 3.12.  Взаимосвязь между коэффициентом усиления и входящей силой для 1550.

Заключение.

Во время расчета полученных результатов, используя начальные статистические информации,  определяются коэффициент усилителя и выходной силы.Для этого берутся значения Рвх – входной силы -30, -20, -10, 0 и 10 и значения dBq для каждой длины волны (1530-1560 nm) и рассматриваются в пяти вариантах.

На основании выше приведенных таблиц и этих результатов построен график взаимосвязи между входной силой и выходящей силы, и входной силы к коэффициенту усиления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №10

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМЫ СИГНАЛА РЕАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ НА ПРИЕМНОЙ СТАНЦИИ

 

1. Цель и значение лабораторной работы

 

1.1. Расчет реальных параметров оптического сигнала по заданным характеристикам линии связи;

1.2. Моделирование на лабораторной установке формы реального сигнала в линии на основании проведенных расчетов.

 

2.     Задание к лабораторной работе

При подготовке выполнения лабораторной работы необходимо выполнить следующие:

           -изучить значение теоритической части лабораторной работы;

           -подготовить страницу для таблицы полученных результатов и строения прибора предназначенный для выполнения лабораторной работы;

             -изучить информации на странице 66-79 литературы [1].

 

3.     Порядок выполнения лабораторной работы.

 

Данная лабораторная работа на тему “Моделирование формы сигнала в конце линии реальной оптической связи” выполняется при помощи прибора “модель тракта оптической линии”. Описание прибора приведено на 5-лабораторной работе (смотреть страницы 75-82).

 

1.Исходными данными для моделирования сигнала являются задаваемые преподавателем параметрам оптической линии связи:

                   -длине линии L (км);

                   -типу световода (ММ или SM);

                   -коэффициенту затухания световода α (дБ/км);

                   -коэффициенту дисперсии τ (псек/км) для многомодового световода или τ (псек/км∙нм) для одномодового световода;     

                   -ширине спектральной линии лазерного диода ∆λ (нм) для одномодового световода;

                   -скорости передачи В(мБит/сек).

         Значения этих параметров следует выбирать с учетом типа моделируемой линии и используемых для соединений световодов.

         2.Рассчитать дисперсионное уширение оптического импульса ∆t на приемном конце линии связи. Для многомодовой линии связи величина ∆t  определяется соотношением:

                            ∆t(псек) = τ(псек/км) L(км),

а для одномодовой – соотношением:

                            ∆t(псек) = τ(псек/км нм) ∆λ (нм)  L(км).

         3.Рассчитать затухание в моделируемой линии, используя соотношение:

                                      А (дБ)= α (дБ/км) L (км).

         4.Рассчитать величину шумовой составляющей напряжения на нагрузке усилителя фототока. Моделирование сигнала осуществляется в предположении, что шумы на приемной стороне определяются  среднеквадратичным значением шумовой составляющей фототока  Iшф :

(Iшф )2 = 2е Рср S Df

и среднеквадратичным значением шумовой составляющей темнового тока Iшт                 (Iшт )2 = 2е Iт Df.

Здесь:

         -Рср - среднее значение ( постоянная составляющая ) оптической мощности на входе ФД, которое при любом способе модуляции отлично от нуля;

         - S - значение спектральной чувствительности фотодиода, вычисленное в пункте 10  предыдущего раздела;

         - Iт – паспортное значение темнового тока фотодиода соответствующее напряжению смещения на фотодиоде Uсм = 5V : Iт = 10-9 А;

         -е – заряд электрона: е = 1,6 10-19 Кул;

         -Df – полоса частот, занимаемая передаваемым по линии сигналом Df=2В.

         Амплитуда шумовой составляющей напряжения на нагрузке  усилителя, определяется соотношением:

Uш = Кт((Iшф )2+(Iшт )2  )

Величина Кт коэффициент пропорциональности между током на входе усилителя и напряжением на его нагрузке: Кт = 2000.

         5.Установите в исходное положение органы управления электронного блока «Источник оптического сигнала»:

                  -ручки потенциометров «I0», «I1» регулировки токов– в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -кнопочные переключатели  «Дисперсия», «Шум» – отжаты;

                   -кнопочный переключатель включения импульсной модуляции «Модуляция» - нажат;

                   -кнопочный переключатель включения аналоговой модуляции «Модуляция» - отжат;

                   -ручки потенциометров «Модуляция», «Дисперсия», «Шум» - в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -включить тумблер «Сеть». При этом загорается его подсветка;

                  -кнопочный переключатель «выбор источника» - в положении, соответствующем включению лазера, излучающего на  выбранной длине волны 1,3 или 1,5 мкм. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный световод.

         6.Установите органы управления электронного блока «Фотоприемник» в исходное положение:

                   -ручку потенциометра «Регулировка смещения» регулировки напряжения смещения– в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -кнопочный переключатель «Уст. нуля» - отжать;

                   -кнопочный переключатель «Чувствительность» – в положение 1;

                   -включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

                   -ручкой потенциометра «Регулировка смещения» установить заданное преподавателем его значение по  прибору на лицевой панели.

         7.Соединить с помощью волоконного шнура (одномодового или многомодового в зависимости от типа моделируемой линии) оптический выход электронного блока «Источник оптического сигнала» со входом измерителя оптической мощности «Алмаз 33» (рис.Л4.1). Включить его в режим измерения абсолютного значения мощности (W). В данном разделе на вход измерителя будет поступать модулированный сигнал. Поэтому показания измерителя соответствуют среднему значению мощности оптического сигнала.

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                        Рис. Л4.1

 

         8.Установить значение тока I0 , равное пороговому с помощью потенциометра «I0» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала».

         9.Плавно увеличивая значение амплитуды модулирующего тока I1   с помощью потенциометров «I1» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»,  добиться максимально возможного значения средней мощности излучаемого лазерным диодом сигнала. Контроль среднего значения мощности осуществляется с помощью измерителя оптической мощности «Алмаз 33». Зафиксировать полученное значение мощности.

         10.Переключить измеритель в режим измерения затухания (дБ). Установить нулевой отсчет на экране его дисплея, нажав кнопку (→0←) на лицевой панели.

         11.Отсоединить волоконный шнур от измерителя оптической мощности «Алмаз 33» и соединить его со входом переменного аттенюатора 15 дБ. Он расположен на плате 6 (рис.2.1). Выход аттенюатора с помощью волоконного  шнура соединить со входной розеткой нормализующей катушки (одномодовой или многомодовой в зависимости от типа моделируемой линии) измерителя оптической мощности. Нормализуюшая катушка расположена на плате 5 (одномодовая) или 7 (многомодовая) (рис.2.1).

         12.Выходную розетку нормализующей катушки с помощью переходного волоконного шнура (одномодового или многомодового в зависимости от типа моделируемой линии) соединить с одной из розеток коммутационной коробки (верхний ряд розеток – для одномодовых световодов, нижной – для многомодовых).

         13.С помощью переходного волоконного шнура (одномодового или многомодового в зависимости от типа моделируемой линии) попеременно соединять выходные розетки коммутационной коробки, расположенной с противоположной стороны макета со входом измерителя оптической мощности «Алмаз 33». Соединения производить до тех пор, пока не будет зафиксировано наличие оптической мощности на одной из розеток. Следует учесть, что из четырех световодов оптического кабеля с помощью сварки соединены только три. Поэтому в одном случае из четырех ни на одной из выходных розеток оптическая мощность не фиксируется. В этом случае следует соединить выходную розетку нормализующей катушки с любой другой розеткой нормализующей катушки из того же ряда.

         14.Вращая регулировочную гайку аттенюатора установить по дисплею измерителя оптической мощности затухание аттенюатора, соответствующее вычисленному в пункте 3. При необходимости следует включить в оптическую схему фиксированный аттенюатор 20дБ (одномодовый или многомодовый в соответствии с моделируемой линией). Он расположен на плате 6.

         15.Отсоединить переходной волоконный шнур от измерителя оптической мощности «Алмаз 33» и соединить его с оптическим входом фотоприемника.

         16.С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета выполнить следующие соединения:

                   -гнездо «кт 3» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соединить со входом первого канала осциллографа;

                   -гнездо «синхронизация осциллографа» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» соединить со входом  канала синхронизации осциллографа;

                   -гнездо «выход усилителя» на лицевой панели электронного блока «Фотоприемник» соединить со входом второго канала осциллографа.

         17.Включить питание осциллографа. Установить переключатели входов обоих каналов в положение (=) – открытый вход для обеспечения наблюдения сигналов с постоянной составляющей. После прогрева на  экране осциллографа появляются осциллограммы модулирующего (первый канал) и принимаемого фотоприемником (второй канал) сигналов. С помощью органов управления осциллографа добиться их устойчивого изображения.   При необходимости откорректировать изображение линий с помощью изменения яркости, фокусировки и центровки изображения по вертикали и горизонтали.

         18.Установить определенное в пункте 2 дисперсионное уширение импульса ∆t. Для этого выполните следующие операции:

                   -измерить длительность импульса T(мм) по линейной шкале на экране осциллографа;

                   -вычислить уширение импульса ∆Т(мм) из соотношения:

                                               ∆Т(мм) = Т(мм) (∆t 2 B);

                   -нажать кнопочный переключатель «Дисперсия» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

                   -вращая ручку потенциометра «Дисперсия» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала» установить требуемое уширение импульса ∆Т(мм) по экрану осциллографа. Для этого может быть использован любой из наблюдаемых сигналов.

         19.Установить амплитудное значение шумовой составляющей напряжения на нагрузке  усилителя, определенное в пункте 4. Для этого выполнить следующие операции:

                   -зафиксировать по экрану осциллографа амплитудное значение сигнала наблюдаемого на первом канале осциллографа (сигнал с выхода фотоприемника);

                   -повернуть ручку потенциометра «Модуляция» с индексом импульсная модуляция против часовой стрелки до упора. При этом на экране осциллографа будет наблюдаться прямая линия по обоим каналам;

                   -включить генератор шума, нажав кнопочный переключатель «Шум» на лицевой панели электронного блока «Источник оптического сигнала»;

                   -вращая ручку потенциометра «Шум» установить по сигналу наблюдаемому на первом канале осциллографа требуемый уровень шума;

                   -повернуть ручку потенциометра «Модуляция» с индексом импульсная модуляция по часовой стрелке и восстановить исходную амплитуду сигнала на выходе фотоприемника.

         20.Сигнал наблюдаемый на первом канале соответствует смоделированному. Зарисовать его осциллограмму.

         21.После проведения измерений:

                   -ручки всех потенциометров  на на лицевых панелях обоих электронных блоков установить в крайнее положение против часовой стрелки;

                   -выключить тумблеры «сеть» на обоих электронных блоках.

 

4.     Контрольные Вопросы

 

1. Оптическое волокно какими физическими параметрами характеризуется?

2. Как определяется в количественном отношении процесс затухания в однородных оптических пространствах.

3. Как определяется состав потерь в процессах затухания.

4. Дайте определение коэффициенту затухания оптического волокна.

5. Как определяется количественные отношения коэффициента затухания оптического волокна.

6. Как определяется количественные отношения значение затухания в моделируемых линиях.

7. Дайте определение процессу дисперсии в оптическом волокне.

8. Какие виды дисперсии вы знаете.

9. Дайте определение  межмодовой дисперсии в многомодовых оптических волокнах.

10. Как определяется хроматическая дисперсия.

11. Дайте определение зависимости дисперсии с свойствами длины волны.

12. Что такое материальная дисперсия.

13. Как определяется отношение для многомодовых линий связи уширения импульса ∆t за счет дисперсии оптического импульса в конце приема линий связи.

14. Как определяется отношение для одномодовых линий связи уширения импульса ∆t за счет дисперсии оптического импульса в конце приема линий связи.

15. Как определяется состав помехи усиления нагрузки усилителя фототока.

16. Как определяется отношение среднего квадратичного значения Ifsi  определяющей помехи фототока на выходе усилителя фототока.

17. Как определяется отношение среднего квадратичного значения Iqsh определяющей помехи тока затемнения на выходе усилителя фототока.

18. Как определяется отношение амплитуды составляющей помехи нагрузки усилителя напряжения.

    

      5. Теоретическая часть

5.1.Процесс затухания в оптическом волокне

 

При передаче оптического сигнала по нити, в результате линейного и нелинейного влияния между собой со средой нити волн освещения, из-за потери сигнала сигнал затухает. Основными из них считаются поглощение и распад волн освещения.

Закон изменения затухания:

                                          R = R0 exr(-α* L)                                        (10.7)

где  R0сила проникающая в нить; L – длина нити; α  - постоянная затухания или потеря в нити. Применяя это отношение сравниваемой потери можно получить выражение оценки dB/km [6]

 

                          asolishtima = - (10/L)*lg(P/P0) = 4,343 a.                    (10.8)

 

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями, рис 3.9.

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.9. Основные типы потерь в оптическом волокне

 

Полное затухание в волокне измеряется в дБ/км и определяется в виде суммы:

a = aс+aк = aп + aр + aк, (дБ/км).                  (10.9)

6.1.1. Собственные потери волокна

 

Собственные потери оптического волокна, как уже отмечено, состоят из двух составляющих: из потерь на поглощение и на рассеяние оптического излучения.

Потери на поглощение состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков потерь. Следует отметить, что характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН-. Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется.

Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовом и инфракрасном областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением.

Потери на рассеяние. Уже к 1970 году изготавливаемые оптические волокна становятся настолько чистыми (99,9999%), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует, так называемое, рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях (рис. 3.10). В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна.

Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствии возникающими из-за рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.10. Рассеивание и отражение света в оптическом волокне

6.1.2. Кабельные потери

 

Кабельные потери возникают из-за микро- и макроизгибов.

Микроизгибы. Микроизгиб это микроскопическое изменение геометрии сердцевины волокна при производстве, то есть несовершенства волокна. Микроизгибы возникают при производстве расположением сердцевины не по оси, из-за покрытия негладкими внешними покрытиями. Микроизгибы увеличивают кабельные потери. Эти потери могут быть очень высокими и даже в некоторых случаях могут превышать 100 дБ/км.   Один из видов микроизгиба представлен на рис. 3.11 б.

Макроизгибы. Макроизгибом называются изгибы, превышающие минимально допустимый радиус изгиба. Минимальный допустимый радиус изгиба ОМ ОВ составляет 10 см. В таком изгибе световые импульсы распространяются с наименьшими искажениями. Изгиб волокна допустимого уровня, увеличивает эффект рассеяние через оболочку.

Минимальный изгиб волокна должен быть указан со стороны производителя. При обмотке кабеля в катушку, волокно изгибается по радиусу катушки. При прокладке кабеля в учреждениях, понадобится изгибать его в углах учреждения. Изгиб волокна допустимого уровня может вывести из строя кабеля и даже привести к обрывам волокон в кабеле. Вид макроизгиба показан на рис. 3.11 а.   

Дефекты и несовершенства оптического волокна приводят к некачественному монтажу ОВ. Факторы, приводящих к потерям в оптическом волокне можно классифицировать следующим образом:

-     несогласованность размеров сердцевины волокна и с его эксцентриситетом;

-     различие профилей показателей преломления волокон;

-     несоосность и скрещивание продольных осей при соединении волокон;

-     различие апертур волокон;

-     неплоскостность и плохая обработка торцов волокон;

-     неплотное соединение концов волокон с образованием воздушной прослойки потери на френелевское отражение).

 

 

 

 

 

 


                                      а)                                                          б)

 

Рис. 3.11. Макроизгиб (а) и микроизгиб (б) оптического волокна

 

Все эти факторы увеличивают затухание и потери. Для их уменьшения предъявляются высокие требования в производстве к высокой точности геометрии волокна.

Для определения полного коэффициента затухания ОВ надо учесть все факторы, рассмотренные выше (рис. 3.12).

    Рис. 3.12. Факторы, влияющие на качество передачи оптических сигналов.

 

Коэффициент затухания для данной длины волны оптического излучения определяется соотношением оптической мощности на входе волокна, к оптической мощности на выходе волокна. Обычно оптическая мощность измеряется в децибелах и зависит от параметров волокна и от длины волны. Зависимость затухания от длины волны имеет нелинейный характер. Для разных длин волн значения затухания приведены в таблице 3.2.

 

Значения затухания для разных длин волн      Таблица 3.2

Окно прозрачности

Длина волны l, мкм

Затухание  a, дБ/км

1

0,85

2-3

2

1,3

0,4–1,0

3

1,55

0,2–0,3

        

Пользуясь широкополосными источниками излучения, первое окно прозрачности используется для передачи на близкие расстояния. 

Длина волны 1,28-1,33 мкм второе окно прозрачности широко используется в телекоммуникации. Это окно прозрачности имеет наиболее меньшее затухание. В этом диапазоне кварцевое стекло имеет минимальное значение хроматической дисперсии, это позволяет использовать дешёвые источники излучения.

Третье окно прозрачности имеет диапазон 1,525-1,575 мкм, минимальный коэффициент затухания является преимуществом этого окна прозрачности. Но при передаче высокоскоростных потоков увеличивается значение дисперсии. Для уменьшения дисперсии требуется использование компенсирующих устройств, это увеличивает стоимость волоконно-оптических систем связи.

 

6.2. Процесс дисперсии в оптическом волокне и их виды

 

         По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так, что становится невозможным их выделение при приеме (рис. 3.13).

 

 

 

 

 

 

 


                           

 

Рис. 3.13. Уширение импульсов в оптическом волокне

 

Дисперсия - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длиной L по формуле:

                  

t(L)

 
                           

                   (3.16)

 

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

-     различием скоростей  распространения  направляемых  мод  (межмодовой дисперсией);

-     направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией);

-     свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией).

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3.14. Виды дисперсии

 

6.2.1. Межмодовая дисперсия

 

  Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения мод, и имеет место только в многомодовом волокне (рис. 3.15).

Моды распространяются по разным направлениям, и прибывают с передающего источника в приемник в разное время. На рис. 3.15 мода самого низкого порядка имеет всего два отражения, тогда как мода самого высокого порядка имеет семь отражений на том же самом отрезке световода. В результате энергия моды самого высокого порядка запаздывает по сравнению с энергией моды самого низкого порядка. Из-за попадания одного импульса на интервал соседнего импульса, соседний импульс принимается с ошибкой, это вызывает межсимвольную интерференцию. Межмодовая дисперсия является недостатком многомодовых систем связи. Этот тип дисперсии можно устранить путём использования ОМ ОВ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         Рис. 3.15. Распространение трёх мод передаваемые с источника света в отрезке многомодового оптического волокна (идеализированный рисунок)

 

 

6.2.2. Хроматическая дисперсия

 

         Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих:

                                                 Dx = Dм + Dв.                                           (3.22)

 

Хроматическая дисперсия измеряется в пикосекундах на нанометр*километр (пс/нм·км). (1пс=1·10-12с, 1нм=1·10-9м). Это уширение импульса шириной 1 нм в пс при прохождении по волокну длиной 1 км. Например: на длине волны 1550 нм дисперсия ОМ стандартного ОВ составляет 17 пс/нм*км.  Хроматическая дисперсия имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

 

6.2.2.1. Материальная дисперсия

 

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. Она вызвана тем, что различные длины волн проходят через материал волокна с различными скоростями. Определение показателя преломления:

n = c / cш ,                                                 (3.23)

где    с - скорость света в вакууме;

сш – скорость волны в материале волокна.

 

Каждая волна в кварцевом стекле распросраняется с разными скоростями.

В 1-ом окне прозрачности более длинные волны распространяются с большей скоростью, чем короткие. Например: длина волны 865 нм распространяется с большой скоростью, чем излучение на длине волны 835 нм.

В 3-ем окне прозрачности наоборот более короткие длины волн распространяются с большими скоростями, чем более длинные. Например: длина волны 1535 нм распространяется быстрее, чем длина волны 1560 нм.

Длина волны 2-го окна прозрачности 1310 нм называется длиной волны нулевой дисперсии. Потому что показатель преломления кварцевого стекла на длине волны 1310 нм минимален.

Материальная дисперсия является главным составляющим дисперсии в ОМ ОВ. С увеличением скорости систем передачи уменьшается битовый интервал, и увеличивается дисперсия.

 

6.2.2.2. Волноводная дисперсия

 

Волноводная дисперсия - это зависимость скорости распространения импульса от длины волны. Этот вид дисперсии зависит от геометрической формы волокна и от профиля показателя преломления.

Если говорить, что любой реальный источник излучения излучает длины волн в определенной полосе частот, то световые импульсы с разными длинами волн приходят с волокна с разными задержками по времени. В итоге начальные импульсы искажаются. Это был рассмотрено выше.                

Нулевое значение дисперсии сдвинуто на 3-е окно прозрачности, которое имеет минимальное затухание. Это осуществляется с помощью легирования волокна. Эти волокна называются волокнами со сдвигом дисперсии. Эти ОВ используются в высокоскоростных системах, и для передачи сигналов на дальние расстояния с меньшими промежуточными пунктами. На рис. 3.16 изображена зависимость значения хроматической дисперсии от длины волны.

Хроматическая дисперсия линии передачи чувствительна к следующим:

-     увеличению числа тандемных соединений и длины линии передачи;

-     увеличению скорости передачи. 

В системах WDM на хроматическую дисперсию влияют:

-     уменьшение шага между каналами;

-     увеличение числа каналов.  

Для уменьшения хроматической дисперсии используются методы компенсации дисперсии.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.16. Зависимость хроматической дисперсии от длины волны

1 – характеристика чистого кварцевого стекла;

2 – характеристика   хроматической дисперсии ОВ со сдвигом дисперсии

 

6.2.3. Поляризационная модовая дисперсия

 

В ОМ волокне единственной модой является HE11. Если же учитывать поляризацию, то в ОМ волокне присутствуют две взаимно ортогональные моды, а поляризация является ли­нейной. Одна из этих мод (доминантная) распространяется в горизонтальной плоскости вдоль оси х, другая - в вертикальной плоскости вдоль оси у. Эта ситуация соответствует идеальному волокну с точной геометрией. Фактически эти оси не обязательно соот­ветствуют линейному состоянию поляризации.

В реальной ситуации волокно, помещенное в ОК, далеко не идеально, ввиду наличия напряженных состояний, возникающих в процессе производства и приводящих, напри­мер, к двойному лучепреломлению. С другой стороны, в процессе намотки волокна на оп­равку возникает асимметричное напряжение, а в процессе прокладки кабеля возникают другие напряжения. Это может вызвать деформацию волокна, нарушающую его округ­лость, или концентричность сердцевины относительно оболочки, либо может привести к удлинению волокна и его изгибу.

Все это, вместе взятое, приводит к тому, что ориентация рассмотренных осей и относи­тельная разница в скорости распространения света по каждой из осей (связанная с двой­ным лучепреломлением) изменяются вдоль оптического пути распространения. Если сег­ментировать волокно и предположить, что различные сегменты имеют различные ориентации локальных осей двойного лучепреломления, а значит, и вносят разные временные задержки при распространении ортогональных мод, то импульс в целом будет испытывать статистическое уширение во времени. В результате получаем поляризационную модовую дисперсию ПМД (PMD) (рис. 3.17).

PMD измеряется в пикосекундах. В процессе прохождения светового импульса вдоль волокна происходит плавное увеличение уровня PMD. Для волокна, составленного из несколь­ких секций, нужно использовать среднеквадратическое суммирование PMD, соответству­ющих каждому участку.

Влияние PMD возрастает:

-     с увеличением скорости передачи в канале (когда битовый период уменьшается);

-     с увеличением длины звена (между регенераторными секциями);

-     с увеличением числа каналов (плотные WDM).

До настоящего времени не существовало путей уменьшения PMD кроме тех, что обус­ловлены более жёстким контролем геометрических параметров ОВ на этапе производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.17. Появление поляризационной модовой дисперсии

 

6.1. Методы уменьшения дисперсии

 

          Методы уменьшения дисперсии, рассмотренные выше, сводились к использованию про­филированных показателей преломления (градиентное ММ волокно), использованию длины волны с нулевой дисперсией, сдвигу нулевой дисперсии за счет волноводной со­ставляющей в область рабочих длин волн, созданию слабо меняющейся дисперсионной характеристики с ненулевой, но малой дисперсией. Они уже реализованы в существую­щих оптических волокнах.

Существует, однако, и возможность прямой компенсации дисперсии путем врезки в ОВ, имеющее положительную дисперсию, участка ОВ с отрицательной дисперсией, при­чем так, чтобы результирующая дисперсия на заданной длине волны или (с учетом ис­пользования WDM) в определенном диапазоне длин волн была близка к нулю. Использо­вание этого метода возможно упростит технологию изготовления кабеля и кажется доста­точно перспективным. Одной из промышленных разработок, основанных на такой техно­логии изготовления ОВ, является новая модификация кабеля True Wave, названная True Wave Balanced. Она позволяет без использования внешних компенсаторов переда­вать сигналы высокоплотных систем WDM (DWDM) в стандартном для них в настоящее время диапазоне длин волн 1530-1565 нм.

Кроме указанных спец технологий для этих же целей был разработан специальный тип ОВ – DCF (Dispersion Compensating Fiber) — волокно, компенсирующее дисперсию (ВКД), которое в виде бухты ОВ определенной длины L (помещенной в кассету) может быть вставлено в виде модуля (DСМ-Dispersion Сompensating Module) в стойку с аппаратурой SDH или WDM (рис. 4.10). Эта длина может быть вычислена по формуле:

 

Lкд = (Dл/Dкд)Lл,                                        (3.23)

 

где Lл - длина линии с работающим волокном, Dл - дисперсионный параметр работающе­го волокна в линии и Dкд - дисперсионный параметр DCF.

Важно иметь в виду относительно большой уровень вносимых потерь такого модуля, который приходится компенсировать дополнительным усилением и учитывать при расче­те бюджета мощности. Эти потери могут достигать 1,0 дБ/км и добавляться к общим поте­рям линии передачи. Если, например, для компенсации накопленной дисперсии 10-12 км рабочего волокна требуется 1 км DCF, то на пролете в 100-120 км вносимые потери могут составить 10 дБ. Кроме того, ввиду меньшего диаметра модового поля, оптическая интен­сивность внутри DCF выше при заданной входной мощности, что приводит к возраста­нию уровня нелинейных эффектов.

Другой путь компенсировать накопленную дисперсию - использовать дифракционную решетку Брэгга (ДРБ), где создаются условия селективного отражения определенных длин волн. Благодаря этому ДРБ работает как оптический фильтр, имеющий "полосу задержи­вания", локализуемую в районе брэгговской длины волны. В ДРБ для расширения поло­сы задерживания оптический период изменяется линейно по длине решетки. Так как брэгговская длина волны также меняется по длине решетки, различные частотные компо­ненты падающего импульса отражаются от различных точек вдоль решетки. Если, напри­мер, использовать стандартное ОВ в окне 1550 нм, то высокочастотные (ВЧ) составляю­щие оптического импульса распространяются быстрее, чем низкочастотные (НЧ). Следо­вательно, при использовании ДРБ с линейным увеличением периода решетки, при движе­нии вдоль нее, НЧ составляющие импульса будут двигаться дальше вдоль решетки, прежде чем они испытают отражение, т.е. они будут иметь большую относительную задержку, чем ВЧ составляющие. Эта задержка прямо противоположна задержке, создавае­мой волокном, что и компенсирует дисперсию данного волокна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


         Рис. 3.18. Компенсация дисперсии с помощью модуля DСМ

 

 

6.4. Шумы, в конце принятия, в реальных оптических линиях связи

 

Основной особенностью оптического сигнала является его квантовая структура. Процесс формирования фототока представляет собой последовательность единичных актов поглощения фотонов и образования ер-пар. Даже если источник излучения и все остальные элементы оптического тракта являются идеальными и не вносят шумов в сигнал на входе ФД, в фототоке будет присутствовать шумовая составляющая. Это происходит благодаря случайному характеру поглощения фотонов, подчиняющемуся законам квантовой статистики.

         Такой шум называется квантовым и его необходимо учитывать при оценке отношения С/Ш на выходе усилителя. Поскольку он определен самой природой оптического сигнала, его уровень растет вместе с ростом оптической мощности на входе ФД. Уровень квантовых шумов дополнительно увеличивается и из-за случайного характера формирования ер-пар. Это происходит, в основном, благодаря различиям во времени дрейфа носителей тока от места их появления до внешних контактов ФД.

         По своему проявлению рассмотренные шумы подобны дробовым. Их спектральное распределение равномерно в полосе частот Df , которая регистрируется фотоприемником. Среднеквадратичное значение шумовой составляющей фототока определяется выражением:

 

                                       (Iшф )2 = 2е Iф ср Df  =2е Рср S Df.                              (10.1)

 

Здесь Iф ср - среднее значение ( постоянная составляющая ) фототока, соответствующее среднему значению оптической мощности Рср на входе ФД, которое при любом способе модуляции отлично от нуля.

         Ранее было отмечено, что даже при Р = 0  через ФД протекает темновой ток. Его характер также случаен и он является дополнительным источником шума, который подобен квантовому. Величина среднеквадратичного значения шумовой составляющей темнового тока Iшт  определяется его средним значением Iт следующим образом:

 

(Iшт )2 = 2е Iт Df.

 

         Свой вклад в общий шум оптического тракта вносит и фоновая засветка - оптическое излучение, попадающее на чувствительную площадку ФД от различных источников, играющих роль помех. Если такой источник создает мощность Рз на чувствительной площадке ФД, то соответствующая ему шумовая составляющая определяется выражением:

 

(Iшз )2 = 2е Рз S Df.

 

         Кроме рассмотренных выше, для ВОЛС характерны также модовые шумы, возникающие за счет случайных флуктуаций интенсивности в пределах чувствительной площадки ФД. Они проявляются когда когерентный источник излучения (ЛД) используется совместно с многомодовым световодом. В этом случае на выходном торце световода возникает "спекл-картина", являющаяся результатом интерференции различных мод. Эта картина постоянно меняется под воздействием многих факторов: изменения температуры окружающей среды, микродеформации световода при различных механических воздействиях. Любое из приведенных внешних воздействий меняет случайным образом величину геометрического пути, который проходят лучи, соответствующие различным модам световода. Несмотря на то, что  это изменение невелико и составляет доли микрон на километр световода, оно оказывается соизмеримым с длиной волны и существенным образом меняет фазовый набег между различными модами. Этим и определяется изменение распределения интенсивности на выходном торце световода, которое приводит к появлению модового шума.

         Подобный по проявлению на выходе усилителя ФД шум возникает и при совместном использовании некогерентного источника излучения (СИД) и одномодового волокна. Отличие проявляется лишь в том, что случайный характер имеет не пространственная, временная структура распределения интенсивности на выходном торце световода.

         Дополнительные шумы создает и источник излучения Они проявляются в флуктуации оптической мощности и случайном характере распределения интенсивности на его излучающей площадке.

         Систему связи можно оптимизировать, исключив причину появления ряда шумов, характерных для оптического диапазона.  Используя когерентные источники только совместно с одномодовыми световодами, а некогерентные - с многомодовыми, можно исключить модовые шумы. Применение усовершенствованных технологий при изготовлении ЛД и СИД и разработка схемных решений для источников тока накачки, в которых предусматривается контроль и автоматическая  регулировка режима его работы, позволяет свести к минимуму шумы источника излучения.

         Исключить квантовые шумы сигнала и темнового тока нельзя никакими методами. Они всегда сопутствуют оптическому сигналу и наличие этих шумовых факторов необходимо учитывать при разработке схемных решений для усилителя фототока.

         На рис.3.12 показана обобщенная эквивалентная схема фотоприемника, в которой учтены все главные шумовые источники. Наряду с рассмотренными выше, введен генератор тока Iшт , учитывающий тепловой шум активного сопротивления нагрузки ФД  R1. Его величина определяется известным соотношением:

 

(Iшт )2 = 4 k t  Df / R1.

 

Здесь k = 1.38 10-23 Дж/К -  постоянная Больцмана, t - темпиратура в градусах Кельвина (К).

         Двумя источниками Iшу  и Uшу учтены шумы активного элемента усилителя. Если усилитель строится на основе полевых транзисторов, то

 

(Uшy )2 = x4 k t  Df / g,   Iшу  = 0.

Здесь g - крутизна входной характеристики транзистора, имеющая смысл входной проводимости. Коэффициент  x = ( 0.7 - 1.1 ) зависит от типа

полевого транзистора. Для усилителя, построенного на базе биполярных транзисторов

 

(Uшy )2 = 4( k t )2 Df / (е Iк),  (Iшу )2 = 2е Iб Df .

 

Здесь Iб и Iк - постоянные токи базы и коллектора транзистора.

         Все рассмотренные выше шумовые источники в первом приближении считаются независимыми. Поэтому результирующая мощность шума на выходе усилительного каскада может быть определена в результате суммирования вкладов, вносимых отдельными источниками. Используя приведенные выше соотношения, можно получить аналитическое выражение для отношения СШ на выходе усилительного каскада. Детальный анализ такого соотношения позволяет сделать следующие выводы:

         -отношение СШ зависит от мощности принимаемого оптического сигнала Р и не может быть увеличено за счет ее роста;

         -если шумы оптического тракта сравнимы с шумами электронной части фотоприемника, то рост отношения СШ можно обеспечить за счет увеличения эквивалентного сопротивления нагрузки ФД R1.

         Но при росте R1 уменьшается полоса пропускания фотоприемника в целом. Поэтому одновременное увеличение СШ и сохранение прежней полосы пропускания невозможно без существенного усложнения электронной схемы первого каскада усилителя. Она требует введения высокочастотной коррекции его амплитудно-частотной характеристики.

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №11

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗЪЕМНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

 

1.    Цель лабораторной работы

   

         - Усвоение навыков работы с измерителем оптической мощности «Топаз - 3000»; 

         - Определение затухания, вносимого соединением торцов двух световодов в оптической розетке в зависимости от величины их числовой апертуры.

 

2. Задание к лабораторной работе

 

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

         - изучить конструкцию и принцип работы разъемных и неразъемных оптических соединетелей;

         - в подготовленном бланке отчета привести краткое содержание теоретической части, структурную схему лабораторного макета, заготовленные формы таблиц для записи данных измерений;

         - изучить литературу: [1] стр. 214-218, [2] стр. 48-51, [5] стр. 61, [6] стр. 283-309, [7] стр. 52-74. 

 

3. Порядок выполнения лабораторной работы

 

         Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки. Перед каждым использованием в измерениях оптического тестера «Топаз - 3000»  необходимо отвернуть защитный колпачок с торца  его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

         1. Установите органы управления электронного блока «Блок питания излучателя» в исходное положение:

         - ручку потенциометра «регулировка»– в крайнее положение против часовой стрелки;

         - кнопочный переключатель «режим» - в положение «мощность», для чего нажмите кнопку с соответствующей подписью;

         - включите тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

         При данном положении органов управления электронный блок обеспечивает непрерывное немодулированное оптическое излучение на оптическом выходе. Его мощность регулируется потенциометром «регулировка». На цифровом табло отображаются показания, пропорциональные фототоку встроенного в лазерный модуль контрольного фотодиода.

         2. Проверьте работоспособность лазера. Для этого поверните по часовой стрелке ручку потенциометра «регулировка». Показания на цифровом табло должны увеличиваться, что свидетельствует об исправности лазера.

         3. Установите кнопочный переключатель «режим» в положение «ток», для чего нажмите кнопку с соответствующей подписью. При этом на цифровом табло отображается значение тока, протекающего через лазерный диод (ток накачки).

         4. С помощью одномодового шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) соедините «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с входом оптического тестера «Топаз - 3000».

         5. Включите оптический тестер «Топаз - 3000» и переведите его в режим измерения абсолютных значений мощности  нажимая кнопку mvt, dbm, db на его лицевой панели. Установите тестер в режим измерений на длине волны 1,3 мкм, нажимая кнопку λ на его лицевой панели. При необходимости используйте описание прибора «Топаз - 3000». 

         6. Установите с помощью потенциометра «регулировка» электронного блока «Блок питания излучателя» величину оптической мощности в районе 0,5 мВт по прибору «Топаз - 3000». Зафиксируйте это значение в соответствующей графе таблицы 11.1. При дальнейших измерениях это значение не должно изменяться.

Таблица 11.1.

Затухания в линии, вызванные стыковкой световодов

различных типов

Рab,    0,5 мВт

λ, nm

sm-sm (дБ)

mm-mm (дБ)

 

 

 

 

        

7. Установите режим работы оптического тестера, соответствующий измерению мощности в относительных единицах (измерение затухания), нажав необходимое количество раз кнопку mvt, dbm, db. После этого нажмите кнопку «установка нуля» на пульте тестера. При этом уровень оптической мощности, поступающий на вход прибора, принимается за нулевой. На его дисплее появляется значение 0дБ.

         8. С помощью одномодового шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) соедините «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с соединительной оптической розеткой FC-FC/UPC, расположенной на штативе на плате 5 (рис.4.5). Противоположную часть оптической розетки с помощью одномодового  шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) соедините с входом оптического тестера «Топаз - 3000». На его дисплее появляется значение затухания в линии, соответствующее соединению двух одномодовых световодов, имеющих одинаковое значение числовой апертуры, выраженное в дБ. Занесите это значение в таблицу в графу SM-SM (стыковка двух одномодовых световодов).

         9. Замените оптический шнур FC/UPC-FC/UPC, соединяющий вход прибора «Топаз - 3000» и оптическую розетку на многомодовый (FC/PC-FC/PC, оранжевый цвет защитной оболочки). Отметьте по дисплею оптического тестера затухание, соответствующее соединению одномодового и многомодового световода.

         10. Отсоедините волоконный шнур FC/UPC-FC/UPC, соединяющий «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с оптической розеткой.

         11. Отсоедините волоконный шнур FC/PC-FC/PC от входа оптического тестера «Топаз - 3000».

         12. С помощью многомодового шнура FC/PC-FC/PC (оранжевый цвет защитной оболочки) соедините «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с входом оптического тестера «Топаз - 3000». При этом уровень оптической мощности, поступающий по волоконному шнуру на его выходной коннектор, изменится из-за изменения условий соединения между одномодовым световодом лазерного диода (он находится внутри электронного блока) и многомодовым световодом.

         13. Переведите оптический тестер в режим измерения абсолютных значений мощности  нажимая кнопку mvt, dbm, db на его лицевой панели. Повторите действия, предусмотренные пунктами 6 и 7.

         14. С помощью многомодового шнура FC/PC-FC/PC (оранжевый цвет защитной оболочки) соедините «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с соединительной оптической розеткой FC-FC/UPC, расположенной на штативе на плате 5. Противоположную часть оптической розетки с помощью многомодового  шнура (оранжевый цвет защитной оболочки) соедините с входом оптического тестера «Топаз - 3000». На его дисплее появляется значение затухания в линии, соответствующее соединению двух одномодовых световодов, имеющих одинаковое значение числовой апертуры, выраженное в дБ. Занесите это значение в таблицу 2 в графу МM-МM (стыковка двух многомодовых световодов).

          15. Отсоедините волоконный шнур, соединяющий «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с оптической розеткой.

         16. Отсоедините волоконный шнур соединяющий вход оптического тестера «Топаз - 3000» с оптической розеткой.

 

1.     Содержание отчета

 

Отчет по лабораторной работе должен включить следующие пункты:

1. Краткое изложение теоретической части.

2. Принципиальную схему лабораторной установки.

3. Результаты измерений и графики.

4. Анализ расчетов и выводы.

 

 

5. Контрольные вопросы

 

1. Какие типы оптических соединителей Вы знаете?

2. В каких целях используется разъёмные и неразъёмные оптические

    соединители?

3. Поясните конструкцию штекерного разъёмного оптического соединителя.

4. Какие методы неразъёмных соединений оптических волокон Вы знаете?

 

6. Теоретическая часть

6.1. Оптические соединители

 

Самым важным вопросом передачи информации по ВОЛС является обеспечение надежного соединения оптических волокон. Оптический соединитель — это устройство, предназначенное для соединения различных компонентов волоконно-оптического линейного тракта в местах ввода и вывода излучения: оптические соединения оптоэлектронных модулей (приемников и передатчиков) с волокном кабеля, соединения отрезков оптических кабелей между собой, а также с другими компонентами. Различают неразъемные и разъемные соединители. Неразъемные соединители используются в местах постоянного монтажа сварки кабельных систем. Разъемные соединители (широко употребляется термин коннекторы, connectors) допускают многократные соединения/разъединения. Промежуточное положение занимают соединения типа механический сплайс [1].

 

        

6.2. Конструкции разъёмных оптических соединителей

 

На каждом узле оптической сети связи должна обеспечиваться возможность подключения световодов оптического кабеля к элементам оптической схемы. Обычно для этого используют разъемные соединения. Удобство подключения световодов к элементам оптической схемы  достигается использованием коммутационных коробок, панелей, распределительных шкафов и кроссов.  В них размещаются оптические розетки и элементы крепления оптических кабелей. Световоды волоконного кабеля снабжаются оптическими разъемами (коннекторами), с помощью которых и производятся необходимые коммутации.

         Для обеспечения соединений между отдельными пассивными элементами оптической линии связи также используют разъемные соединения. Осуществляются они, как правило, с помощью волоконных шнуров – пигтейлов – (pigtail). С обоих концов каждый шнур снабжен оптическим коннектором (разъемом), который и обеспечивает качественное соединение.

На рис. 11.1. показан штекерный разъёмный соединитель. В этом соединителе штыревая и гнездовая части фиксируются гайкой с накаткой. На рисунке резьба на поверхности гнездовой части соединителя и гайка не показаны [4].

Соединителям предъявляются следующие основные требования: малые вносимые потери, малое обратное отражение, устойчивость к внешним механическим, климатическим и другим воздействиям, высокая надежность и простота конструкции, незначительное ухудшение характеристик после многократных повторных соединений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


          В настоящее время существует более десятка типов оптических коннекторов (разъемов), которые отличаются друг от друга типом соединителей и способом их фиксации. Наиболее распространенными являются коннекторы следующих типов (рис.11.2):

-FC, имеющий цилиндрическую форму и резъбовое крепление;

-SC, имеющий прямоугольную форму и крепление в виде защелки с фиксатором типа push – pull.

Волоконные шнуры, используемые для соединения элементов оптической схемы между собой, снабжаются такими коннекторами и имеют длину 1-3 метра. На концах соединительного шнура размещаться однотипные коннекторы (FC-FC, SC-SC). Если требуется соединить между собой элементы с различными типами корпусов, в которые помещены центрующие элементы, используются переходные волоконные шнуры. На их концах устанавливаются коннекторы различных типов (FC-SC).

Подпись: Рис.11.2. Конструкции коннекторов
 

 


Для обеспечения соединений оконцованных волоконных шнуров с различными типами коннекторов разработаны соответствующие розетки. Их корпуса рассчитаны на крепление двух стыкуемых волоконных шнуров с определенным типом коннекторов. На рис. 6.показан внешний вид розеток типа FC-FC, SC-SC. Для соединения волоконных шнуров, снабженных коннекторами различных типов, используются переходные розетки типа SC-

 

6.3. Неразъёмное соединение оптических волокон

 

Обычно длина оптической линии составляет десятки километров и превышает строительную длину отрезка волоконно-оптического кабеля, составляющую, как правило, 10 км. Поэтому при прокладке кабеля приходится соединять между собой световоды отрезков кабелей, относящихся к  различным строительным длинам. Это соединение производится с помощью сварки. После сваривания двух световодов место сварки защищается от механических воздействий и проникновения влаги с помощью термоусадочных трубок. Последние закрепляются в специальной кассете (сплайс-пластине), фиксирующей трубки в специальных канавках. Сплайс-пластина  совместно с разделанными световодами соединяемых кабелей размещается в соединительной муфте. Именно она и обеспечивает на длительный срок основную защиту сваренных световодов от механических и климатических воздействий. В зависимости от способа прокладки кабеля (в грунт, на дне водоемов, путем подвески на опоры линии электропередач), используются различные типы муфт. Общими для всех них является наличие сплайс-пластины и требование наличия запаса по длине разделанных участков соединяемых световодов. Последнее необходимо для обеспечения возможности повторной сварки отдельных световодов при ее неудовлетворительном качестве.

Одним из распространенных способов неразъемного соединения ОВ является соединение с помощью трубки (рис. 11.3). При таком соединении вносимое затухание составляет 0,29 дБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


При неразъемном соединении с помощью пластин с канавками (рис. 11.4) вносимое затухание составляет 0,5 дБ [4]. Концы сращиваемых волокон точно центрируются, потом склеиваются или соединяются с помощью электродуговой сварки.

Для постоянного соединения ОВ широко применяется сварное соединение. В настоящее время сварочные оборудование и практика сварки совершенствуются. В результате, при применении сварного соединения вносимые потери составляют 0,04-0,1 дБ как для ОМ ОВ, так и для ММ ОВ.

В ММ ОВ на качество сварки влияют несовпадение диаметров волокон, несовпадение числовых апертур, несовпадение показателей преломления и ошибки концентричности сердцевины и оболочки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


В случае ОМ ОВ (без сдвига дисперсии) основным фактором влияющее на качество сварки является несовпадение диаметров поля моды волокон.

А также продольные и угловые смещения, загрязнение и деформация сердечника тоже являются факторами влияющие на качество сварки. Их влияние может быть сведено до минимума за счет использования опытных техников, оборудования автоматического выравнивания волокна и современного сварного оборудования [6].

 

Учебная лабораторная установка «Исследование пассивных элементов оптического линейного тракта»

1.Общая характеристика установки

 

         На базе данной установки могут быть выполнены  следующие лабораторные работы:

         1. Изучение работы оптического тестера и использование его для поиска неисправностей в оптической линии.

         2. Исследование характеристик оптических соединителей оптического линейного тракта.

         3. Исследование  характеристик оптических аттенюаторов.

         4. Исследование характеристик оптического делителя мощности.

         Выполнение перечисленных выше лабораторных работ позволяет:

         -получить практические навыки по использованию измерителя оптической мощности и произвести с его помощью измерение затухания, вносимого оптическими элементами,  градуировку переменного аттенюатора, осуществить требуемые коммутации в модели оптической линии связи;

         -произвести исследования характеристик пассивных элементов оптического тракта: оптических соединителей различного типа (розеток, коннекторов, постоянных и переменных аттенюаторов) и влияния на величину затухания, вносимого соединением в оптическую линию значения числовой апертуры стыкуемых световодов.

 

2.    Описание функциональной схемы лабораторной установки

 

         Блок-схема лабораторной установки изображена на рис.11.5. В ее состав входят следующие элементы.

       1. Универсальная кассета (сплайс-пластина), которая служит для фиксации мест термического соединения (сварки) волоконных световодов;

2. Два отрезка четырех волоконного одномодового кабеля (желтый цвет защитной оболочки), оконцованный с одной стороны коннекторами типа SC/SPC (четырех волоконная полувилка  SC/SPC-4, SC/SPC-4, DST/4/SM 9/125). Неоконцованные стороны трех (из четырех) световодов этих отрезков попарно соединены между собой с помощью сварки. Термоусадочные трубки, защищающие места сварки зафиксированы в кассете 1;

         3. Два отрезка четырех волоконного многомодового кабеля (оранжевый цвет защитной оболочки), оконцованный с одной стороны коннекторами типа SC/PC (четырех волоконная полувилка SC/PC-4, SC/PC-4, DST/4/MM 50/125). Неоконцованные стороны трех (из четырех) световодов этих отрезков попарно соединены между собой с помощью сварки. Термоусадочные трубки, защищающие места сварки зафиксированы в кассете 1;

         4. Две коммутационные коробки серии W902 (настенный кросс), рассчитанные на 8 розеточных портов.  В коробках установлены:

  -четыре соединительных розетки типа SC-SC/UPC в верхнем ряду (для соединения одномодовых световодов, оконцованных коннекторами типа FC);

  -четыре соединительных розетки типа SC-SC/PC в нижнем ряду (для соединения многомодовых световодов, оконцованных коннекторами типа FC).

  Оконцованные стороны четырех волоконных кабелей закреплены в коробках и коннекторы их световодов соединены с соответствующими розетками с внутренней стороны коробок.

         5. Плата с оптическими пассивными элементами, на которой установлены:

  -переходная одномодовая розетка FC-SC/UPC c керамическим      центратором;

       -переходная многомодовая розетка FC-SC/PC c бронзовым центратором;

-соединительная одномодовая розетка FC-D/UPC c керамическим центратором;

-соединительная многомодовая розетка FC-D/PC c керамическим      центратором.

         6. Плата с оптическими пассивными элементами, на которой установлены:

  -фиксированный аттенюатор-розетка для одномодового волокна FC/SM. Вносимое затухание – 20 дБ;

  -фиксированный аттенюатор-розетка для многомодового волокна FC/МM. Вносимое затухание – 20 дБ;

  -переменный аттенюатор – розетка для одномодового и многомодового волокна FC/SM. Вносимое затухание 0 – 20 дБ.

         7. Плата с оптическими пассивными элементами, на которой установлены:

           -одномодовый (SM) делитель 50/50, 1х2. Световоды делителя оконцованы коннекторами типа FC/SPC;

  -три соединительных розетки FC-D/UPC c керамическим      центратором.

         Все розетки и аттенюаторы закреплены в стойках, которые крепятся к соответствующим платам. Сами платы установлены на две общие П-образные направляющие. На противоположных концах направляющих размещены крышки, с помощью которых они соединяются с боковыми стенками экрана. На центральной части экрана укреплены кассета (1) и четыре отрезка кабеля (2,3). Вся конструкция размещается на верхней полке лабораторного стола.

         8. Блок питания излучателя (БПИ). Его лицевая панель изображена на рис.4.6. Он  обеспечивает генерацию оптического излучения в диапазоне длин волн λ=1,33 мкм с помощью  лазерного диода (полупроводникового лазера) типа LFO-14-ip c выходной мощностью 1 мВт. Диод состыкован с отрезком одномодового волокна, которое оконцовано коннектором типа FC/SPC. Подключение его  к внешним оптическим цепям осуществляется с помощью оптической розетки типа FC «ОПТИЧЕСКИЙ ВЫХОД», выведенной на лицевую панель (рис.11.6).

На лицевую панель выведена ручка потенциометра «РЕГУЛИРОВКА», с помощью которого изменяется ток, протекающий через лазерный диод (ток накачки) и, соответственно, его мощность.

         Для контроля тока накачки и мощности излучения на лицевой панели БПИ имеется цифровой индикатор «ТОК ИЗЛУЧАТЕЛЯ, ОПТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ». Переключение режимов измерения производится кнопочным переключателем «РЕЖИМ». Нажатие кнопок «ТОК» или «МОЩНОСТЬ» на лицевой панели приводит к тому, что значение соответствующего параметра отображается на цифровом индикаторе.

Измерение мощности производится с помощью встроенного в корпус лазера фотодиода, ток которого и отображается на цифровом табло в режиме «МОЩНОСТЬ». Следует помнить, что показания индикатора в этом режиме имеют относительный характер. Данный режим используется для контроля работоспособности лазерного диода.

 

         Питание БПИ осуществляется от сети 220v / 50Hz. Включение блока осуществляется тумблером с подсветкой «СЕТЬ» на лицевой панели.

9. Измеритель оптической мощности «Топаз - 3000», который используется в качестве эталонного измерителя оптической мощности. Оптическая мощность подается  на его вход с помощью волоконного шнура. Прибор имеет автономный источник питания и сетевой адаптер (10). Работа с прибором производится на основании его технического описания, входящего в комплектацию лабораторной установки.

         Кроме того, в состав лабораторной установки входят волоконные соединительные и переходные шнуры (ВС), служащие для соединения элементов установки между собой. В комплект установки входят:

         -3 соединительных многомодовых шнура (оранжевый или оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами FC/РС;

         -3 соединительных одномодовых (желтый цвет защитной оболочки) шнура с коннекторами FC/SPC;

         -2 соединительных многомодовых шнура (оранжевый цвет защитной оболочки) с коннекторами SC/PC;

         -2 соединительных одномодовых шнура (желтый цвет защитной оболочки) с коннекторами SC/SPC;

         -2 переходных многомодовых шнура (оранжевый цвет защитной оболочки)с коннекторами FC/ РC-SC/PC;        -2 переходных одномодовых шнура (оранжевый цвет защитной оболочки)с коннекторами FC/ SРC-SC/SPC.

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа № 12

 

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ АТТЕНЮАТОРОВ

 

1. Цель работы

     

         - Усвоение навыков работы с измерителем оптической мощности «Топаз - 3000»;

         - Измерение затухания, вносимого постоянным аттенюатором на основе оптической розетки для многомодовых и одномодовых световодов;

         - Измерение затухания, вносимого переменным аттенюатором на основе оптической розетки для многомодовых и одномодовых световодов и градуировка аттенюатора.

 

2. Задание к работе

 

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

         - изучить учебные материалы по оптическим пассивным устройствам и их применению;

         -  в подготовленном бланке отчета привести краткое содержание теоретической части, заготовленные формы таблиц для снятия данные измерений;

         - изучить литературу: [1] стр. 227-228, [2]- стр. 53, [5] стр.60, [6] стр. 265-267. 

 

3. Порядок выполнения лабораторной работы

 

         Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки. Перед каждым использованием в измерениях оптического тестера «Топаз - 3000»  необходимо отвернуть защитный колпачок с торца  его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.          

         1. Установите органы управления электронного блока «Блок питания излучателя» в исходное положение:

         -ручку потенциометра «регулировка»– в крайнее положение против часовой стрелки;

         -кнопочный переключатель «режим» - в положение «мощность», для чего нажмите кнопку с соответствующей подписью;

         -включите тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка.

         При данном положении органов управления электронный блок обеспечивает непрерывное немодулированное оптическое излучение на оптическом выходе. Его мощность регулируется потенциометром «регулировка». На цифровом табло отображаются показания, пропорциональные фототоку встроенного в лазерный модуль контрольного фотодиода.

         2. Проверте работоспособность лазера. Для этого поверните по часовой стрелке ручку потенциометра «регулировка». Показания на цифровом табло должны увеличиваться, что свидетельствует об исправности лазера.

         3. Установите кнопочный переключатель «режим» в положение «ток», для чего нажмите кнопку с соответствующей подписью. При этом на цифровом табло отображается значение тока, протекающего через лазерный диод (ток накачки).

         4. С помощью одномодового шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) соедините «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с входом оптического тестера «Топаз - 3000».

         5. Включите оптический тестер «Топаз - 3000» и переведите его в режим измерения абсолютных значений мощности  нажимая кнопку mvt, dbm, db на его лицевой панели. Установите тестер в режим измерений на длине волны 1,3 мкм, нажимая кнопку λ на его лицевой панели. При необходимости используйте описание прибора «Топаз - 3000». 

         6. Установите с помощью потенциометра «регулировка» электронного блока «Блок питания излучателя» величину оптической мощности в районе 0,5 мВт по прибору «Топаз - 3000». Зафиксируйте это значение в соответствующей графе таблицы 12.1. При дальнейших измерениях это значение не должно изменяться.

         7. Установите режим работы оптического тестера, соответствующий измерению мощности в относительных единицах (измерение затухания), нажав необходимое количество раз кнопку mvt, dbm, db. После этого нажмите кнопку «установка нуля» на пульте тестера. При этом уровень оптической мощности, поступающий на вход прибора, принимается за нулевой. На его дисплее появляется значение 0дБ.

Таблица 12.1.

Затухание в пошаговом аттенюаторе (дБ)

Раб (мВт)

λ, nm

sm-sm (дБ)

mm-mm (дБ)

sm-sm (дБ)

mm-mm (дБ)

 

1310

 

 

 

 

 

 

FC/SM

FC/MM

        

8. Произведите измерение ослабления, вносимого в линию фиксированным аттенюатором - розеткой для одномодового волокна FC/SM. Аттенюатор расположен на плате 6 (рис.11.5). Для этого выполните следующие действия.

         8.1. Отсоедините оптический разъем волоконного шнура FC/UPC-FC/UPC от  входа оптического тестера «Топаз - 3000» и соедините его с аттенюатором - розеткой.

         8.2. Второй выход аттенюатора - розетки соедините с помощью одномодового волоконного шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) со входом оптического тестера.

         8.3. Занесите в графу SМ-SМ таблицы 2 значение ослабления, которое вносит аттенюатор в одномодовую линию. Величина этого ослабления считывается с дисплея оптического тестера.

8.4. Отсоедините оптические одномодовые шнуры от всех используемых элементов.

         8.5. Соедините «оптический выход» электронного блока и вход оптического тестера с помощью многомодового шнура FC/PC-FC/PC. При этом уровень оптической мощности, поступающий по волоконному шнуру на его выходной коннектор, изменится из-за изменения условий соединения между одномодовым световодом лазерного диода (он находится внутри электронного блока) и многомодовым световодом.

Переключив режим измерений оптического тестера в положение мВт (измерение мощности в абсолютных единицах), с помощью потенциометра «регулировка» на лицевой панели «блока питания излучателя» установите величину оптической мощности в районе 0,5 мВт по прибору «Топаз - 3000». При дальнейших измерениях это значение не должно изменяться.

8.6. Установите режим работы оптического тестера, соответствующий измерению затухания, нажав необходимое количество раз кнопку mvt, dbm, db. После этого нажмите кнопку «установка нуля» на пульте тестера. При этом уровень оптической мощности поступающий на вход прибора принимается за нулевой. На его дисплее появляется значение 0дБ.     

         8.7. Отсоедините оптический разъем волоконного шнура FC/PC-FC/PC от  входа оптического тестера «Топаз - 3000» и соедините его с аттенюатором - розеткой.

         8.8. Второй выход аттенюатора - розетки соедините с помощью многомодового волоконного шнура FC/PC-FC/PC (оранжевый цвет защитной оболочки) со входом оптического тестера.

         8.9. Занесите в графу ММ-ММ таблицы 12.1. значение ослабления, которое вносит аттенюатор в многомодовую линию. Величина этого ослабления считывается с дисплея оптического тестера.

         9. Произведите измерение ослабления, вносимого в линию фиксированным аттенюатором - розеткой для многомодового волокна FC/МM. Аттенюатор расположен на плате 6. Для этого выполните следующие действия:

         9.1. Переведите оптический тестер «Топаз - 3000» в режим измерения абсолютных значений мощности  нажимая кнопку мВт, дБм, дБ на его лицевой панели.

         9.2. С помощью одномодового шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) соедините «оптический выход» электронного блока «Блок питания излучателя» с входом оптического тестера «Топаз - 3000».

         9.3. С помощью потенциометра «регулировка» на лицевой панели «блока питания излучателя» установите величину оптической мощности в районе 0,5 мвт по прибору «Топаз - 3000». При дальнейших измерениях это значение не должно изменяться.

         9.4. Установите режим работы оптического тестера, соответствующий измерению мощности в относительных единицах (измерение затухания), нажав необходимое количество раз кнопку мВт, дБм, дБ. После этого нажмите кнопку «установка нуля» на пульте тестера. При этом уровень оптической мощности, поступающий на вход прибора, принимается за нулевой. На его дисплее появляется значение 0 дБ.

         9.5. Повторите измерения, предусмотренные в пункте 8 для фиксированного аттенюатора - розетки для многомодового волокна FC/МM.

         9.6. Отсоедините все волоконные шнуры от элементов оптической схемы.

         10. Произвести измерение ослабления, вносимого в линию переменным аттенюатором. Значение этого ослабления также, как и в предыдущем случае, различно при использовании его в одномодовой и многомодовой волоконной линии. Аттенюатор расположен на плате 6. Выполните следующие действия.

         10.1. Выполните действия, предусмотренные пунктами 4 – 7.

         10.2. Отсоедините оптический разъем волоконного шнура FC/UPC-FC/UPC от  входа оптического тестера «Топаз - 3000» и соедините его с переменным аттенюатором - розеткой.

         10.3. Второй выход переменного аттенюатора - розетки соедините с помощью одномодового волоконного шнура FC/UPC-FC/UPC (желтый цвет защитной оболочки) со входом оптического тестера.

         10.4. Переменный аттенюатор выполнен на базе оптической одномодовой розетки FC-FC. Изменение вносимого им затухания осуществляется за счет продольной расстыковки торцов световодов, подсоединенных к нему. Расстыковка осуществляется за счет вращения внешней гайки на его корпусе. Вращение по часовой стрелке увеличивает вносимое затухание, против – уменьшает. Для фиксации установленного затухания служит контргайка, расположенная ближе к корпусу. В данной лабораторной установке контргайка постоянно находится  в положении, исключающем фиксацию регулировочной. Это сделано для удобства проведения измерений. Для изменения затухания следует производить вращение крайней гайки. Все регулировки следует производить с особой аккуратностью, чтобы исключить поломку механических узлов.

Вращая регулировочную гайку против часовой стрелки, установить затухание вносимое аттенюатором, α = 3дБ, фиксируя его по дисплею оптического тестера. Данное значение занести в первую графу таблицы 3.

         10.5. Произвести градуировку аттенюатора, фиксируя вносимое им ослабление, соответствующее N полных оборотов вокруг оси регулировочной гайки. Величина этого ослабления считывается с дисплея оптического тестера. Начало отсчета оборотов соответствует затуханию 3 дБ (N=0). Закончить измерения при достижении значения затухания 15 дБ. Данные измерений занести в таблицу 12.2.

10.6. Отсоедините оптические одномодовые шнуры от всех используемых элементов. Соедините выход электронного блока и вход оптического тестера с помощью многомодового шнура. Переключив режим измерений оптического тестера в положение мВт, с помощью потенциометра «регулировка» установите величину оптической мощности, соответствующую предыдущим измерениям и зафиксированную в таблице 12.2.

Таблица 12.2.

 Градуировка переменного аттенюатора. Величина оптической мощности

на входе Раб =      мвт

N (оборотов)

     0

 

 

 

α (дБ)

     3дБ

 

 

 

 

10.7. Установите режим работы оптического тестера, соответствующий измерению затухания, нажав необходимое количество раз кнопку mvt, dbm, db. После этого нажмите кнопку «установка нуля» на пульте тестера. При этом уровень оптической мощности поступающий на вход прибора принимается за нулевой. На его дисплее появляется значение 0дБ.     

10.8. Отсоедините оптический разъем многомодового световода FC/PC-FC/PC от входа оптического тестера и соедините его с аттенюатором.

10.9. С помощью второго многомодового шнура FC/PC-FC/PC соедините второй выход аттенюатора со входом оптического тестера.

10.10. Повторить градуировку переменного аттенюатора при использовании его в многомодовой линии. При проведении измерений руководствоваться указаниями пунктов 10.4., 10.

 

4.Содержание отчета

 

Отчет по лабораторной работе должен включить следующие пункты:

1. Краткое изложение теоретической части.

2. Принципиальную схему лабораторной установки.

3. Результаты измерений и графики.

4. Анализ расчетов и выводы.

        

2.     Контрольные вопросы

 

1. В каких целях используется оптические аттенюаторы?

2. Какие типы оптических аттенюаторов Вы знаете?

3. Какими параметрами охарактеризуется оптические аттенюаторы?

 

 

3.     Теоретическая часть

                            6.1. Оптические аттенюаторы

 

 Аттенюаторы используются с целью уменьшения мощности (интенсивности) входного оптического сигнала.

Аттенюаторы часто используются в схеме после лазерного передатчика, чтобы согласовать его выходную мощность с уровнем, требуемым следующими за ним в этой схеме устройствами, такими как усилители EDFA.

Короткие оптоволоконные секции, где уровень интенсивности света настолько высок, что выходит за границы динамического диапазона приемника, большой уровень способен привести к насыщению приемного оптоэлектронного модуля.

Другими ключевыми параметрами аттенюаторов являются: - стабильность; - надежность; - оптические возвратные потери (ORL); - потери, зависящие от поляризации (PDL); - точность; - повторяемость; - вносимые потери; - поляризационная модовая дисперсия (PMD).

 По принципу действия аттенюаторы бывают переменные и фиксированные.

 

 

 


                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 12.1. Внешний вид розеток

 

Переменные аттенюаторы допускают регулировку величины ослабления в пределах 0-20 дБ для многомодовых и одномодовых волокон с точностью установки величины ослабления 0,5 дБ. Регулировка достигается путем изменения величины воздушного зазора.

Фиксированные аттенюаторы имеют установленное изготовителем значение ослабления, величина которого может составлять 0, 5, 10, 15 или 20 дБ. Ослабления может вноситься посредством воздушного зазора фиксированной величины, или посредством специального поглощающего фильтра, встроенного в аттенюатор.

Ослабления вводимое аттенюатором не должна превышать ±15 %. Максимальный способность оптического отражения должно быть на уровне        -40 дБ. Диапазон рабочих длин волн аттенюаторов максимально должен составлять от 1360 нм до 1580 нм, а минимально от 1200 нм до 1480 нм. Типичная ширина рабочей длины волны 1310-1580 нм. В аттенюаторах потери зависящие от ПМД должен не превышать 0,3 дБ [6].

Для обеспечения соединений оконцованных волоконных шнуров с различными типами коннекторов разработаны соответствующие розетки. Их корпуса рассчитаны на крепление двух стыкуемых волоконных шнуров с определенным типом коннекторов. На рис. 12.1. показан внешний вид розеток типа FC-FC, SC-SC.

На рис. 12.2.  приведен эскиз переменного аттенюатора на основе оптической      розетки    FC-FC.    Регулировка      вносимого     затухания  α осуществляется с помошью вращения фигурной гайки 1 (рис. 12.2), а контроль – помощью оптического тестера. Контргайка 2 фиксирует положение регулировочной, что исключает возможность изменения выбранного затухания в результате случайных механических воздействий. Крепление аттенюатора осуществляется через отверстия 3.

В лабораторном макете контргайка 2 неподвижно закреплена, что позволяет без дополнительных преспособлений осуществлять вращение регулировочной гайки 1 и изменять вносимое затухание. Для исключения повреждения переменного аттенюатора не следует устанавливать значение затухания менее 1,5 дБ и более 14,5 дБ.

 

Примечание. Общая характеристика установки 5-лабораторной работы преведена на стр.65-72.

 

 

Лабораторная работа 13

 

   ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ, ВНОСИМОГО ИЗГИБОМ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА ОТ ЕГО РАДИУСА

 

1.     Цель работы лабораторной работы

 

Произвести экспериментальное определение зависимости удельного коэффициента затухания от радиуса изгиба оптического волокна для одно-модового оптического волокна 9/125 мкм.

Измерение произвести для длины волны λ =1,3 мкм.

 

2.     Задание к работе лабораторной работы

 

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

         - изучить физические параметры оптического волокна;

         -в подготовленном бланке отчета привести краткое содержание теоретической части, структурную схему макета, заготовку формы таблиц для снятия данных измерений;

         - изучить литературу: [1] стр. 68-69,  [5] стр. 45-46, [6] стр. 58. 

 

3. Порядок выполнения лабораторной работы

 

Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки.

 

В данной лабораторной работе используются следующие элементы (рис.1.11):

-электронный блок «Блок питания излучателя» для длины волны λ=1,3 мкм с лазерным диодом ЛД2; -одномодовое оптическое волокно без защитной оболочки (желтый цвет буферного покрытия) с коннекторами типа FC -UPS; -узел измерения потерь на изгибе оптического волокна (УИП); -оптический тестер ОТ «Топаз 3000».

Измерение затухания на длине волны λ=1,3 мкм.

 В этом эксперименте в качестве оптического источника используется ЛД2, работающий на длине волны 1,3 мкм, а в качестве фотоприемника -оптический тестер «Топаз 3000».

Перед проведением измерений необходимо:  

 - установить входной коннектор исследуемого оптического волокна в оптическую розетку на лицевой панели электронного блока «Блок питания излучателя» для длины волны λ=1,3 мкм;

- установить выходной коннектор исследуемого оптического волокна в оптическую розетку на оптическом тестере «Топаз 3000».

3.1. Расположить исследуемое оптическое волокно в УИП (рис. 1.16). Для этого выполнить следующие операции.

3.1.1. Надеть стойки выбранного диаметра на штыри, находящиеся на плате 6 (рис.1.16) .

3.1.2. Вывернуть микрометрический винт 9, перемещающий подвижные стойки 4 так, чтобы они заняла положение за крайними.

3.1.3. Отвернуть винты 3 фиксаторов 2 (рис.1.16).

3.1.4. Поместить исследуемое оптическое волокно между неподвижными и подвижными стойками. Он должен располагаться так, чтобы подвижные стойки находились над оптическим волокном, а неподвижные под ним (рис.1.16). Сам оптическое волокно при этом не должен быть деформирован.

3.1.5. Поместить исследуемое оптическое волокно в паз левого фиксатора (рис.1.16) и закрепить его винтом 3. Винт 3 следует заворачивать с минимальным усилием, обеспечивающим фиксацию оптического волокна.

3.1.6. Поместить исследуемое оптическое волокно в паз правого фиксатора (рис.1.16). Слегка натянуть оптическое волокно так, чтобы пружины фиксаторов 2 незначительно растянулись. Закрепить оптическое волокно винтом 3. Винт 3 следует заворачивать с минимальным усилием, обеспечивающим фиксацию оптического волокна.

3.1.7. Вворачивая микрометрический винт 9 (рис.1.16), перемещающий подвижные стойки 4, переместить их вверх так, чтобы они касались исследуемого оптического волокна, но не деформировали бы его.

3.1.8. Отметить начальный отсчет L0 по шкалам микрометрического винта, соответствующий этому положению средней стойки и занести его в таблицу 1.

3.2. Отметить показания измерительного прибора – оптического тестера рo, соответствующий максимальному уровню мощности на выходном торце невозмущенного оптического волокна. Занести это значение в таблицу 2.1.

3.3. Изменяя положение подвижных стоек отмечать отсчеты Li по шкалам микрометрического винта и соответствующие им уровни мощности рi по индикатору «Оптического тестера». Данные измерений занести в таблицу 2.1.

3.4. После окончания измерений вернуть подвижные стойки в исходное положение, отвернуть винты 3 фиксаторов 2 (рис.1.16) и извлечь оптическое волокно из УИП. Отвернуть коннекторы оптического волокна от БПИ и от оптического тестера.

3.5. Повторить измерения потерь для других диаметров изгиба. Для этого на стойки надеть втулки соответствующего диаметра и повторить пункты 2.1, 2.3 описания.

3.6. После окончания измерений отвернуть фиксирующие винты зажимов 10 (рис.1.16) и освободить оптическое волокно.

3.7. После окончания измерений произвести расчет удельного коэффициента затухания на изгибах разных диаметров для одномодового оптического волокна. Для этого необходимо определить длину изогнутого участка.

 

 

Таблица 13.1.

Измерение удельного коэффициента затухания на изогнутом участке оптического волокна.

D =     (мм), L0 =      (мм), р0 =     (дБ).

Li (мм)

 

 

 

 

рi(дБ)

 

 

 

 

L=Li-L0 (мм)

 

 

 

 

li (мм)

 

 

 

 

γi (дБ/мм)

 

 

 

 

 

Рис.13.1. поясняет выражение, используемое для определения длины изогнутого участка оптического волокна. Две окружности представляют собой вид сверху на правую неподвижную и центральную передвигаемую стойки. Линия ВАВ1 соответствует неизогнутому отрезку оптического волокна, заключенному между ними и является касательной к окружностям в точках В и В1. Расстояние между центрами стоек по горизонтали OS = d = 20 мм, расстояние между центрами стоек по вертикали O1S = L определяется в процессе измерений. ВО = В1О1 = D/2 - радиус стойки.

Длина изогнутого участка оптического волокна определяется длинами дуг окружностей ОВ и В1С1 (рис.13.1.). Легко понять, что они одинаковы, поэтому полная длина изгиба, определяемая всеми тремя стойками равна 4*ОВ.

Для расчетов следует определить угол ВОС. Из элементарных тригонометрических соотношений следует:

 

ВОС = OGB = ВАО1 + О1AG1;

В'АО1= arcsin((D/(L2 +d2)1/2);

O'AG1 = arctg(L/d).

 

Окончательно, полная длина изогнутого участка 1 определяется выражением:

 

l =8 D (arcsin((D/(L2 +d2)1/2) + arctg(L/d)).                (2.1)

 

Все углы должны быть выражены в радианах.