Проектирование оптического усилителя сигнала волоконно-оптической линии связи

дипломная работа

2.1 Анализ ограничения параметров ВОЛС

Основными параметрами ВОЛС являются дальность и предельная скорость передачи цифровых данных.

Дальность передачи данных ограничивается затуханием оптического сигнала в линии передачи. Затухание сигнала в линейном тракте является важным фактором при разработке любой системы связи. Все приемные устройства требуют, чтобы поступающая на их вход мощность, была выше некоторого минимального уровня, так что потери среды распространения ограничивают общую длину линии передачи. Имеются определенные точки в оптической системе, где вносятся потери. Они возникают при вводе излучения в волокно, непосредственно в самом волокне и в соединениях (неразъемных и разъемных). Рассмотрим причины потерь в оптическом волокне. Большинство волоконно-оптических систем не выходят из интервала длин волн 0,5…1,6 мкм. Для этой области длин волн существуют волокна с малыми потерями, эффективные источники излучения и детекторы. Оптические волокна создаются из стекол. Большинство стекол состоит из молекул расплавленного стекла (двуокись кремния - SiO2) [5]. Стекло является неоднородным по составу - это смесь молекул SiO2, которые имеют изменения в пространственной ориентации молекул в различных точках материала. Это принципиально отлично от структуры кристаллов, в которых составляющие их атомы занимают фиксированные положения в пространстве, и эта структура периодически повторяется. Чтобы изменить значение показателя преломления, в стекло добавляют другие материалы. Обычно легирование выполняют германием, титаном, таллием, бором или другими химическими элементами. Основой является стекло с высоким содержанием двуокиси кремния, из которого может быть сформировано волокно с малыми потерями, если достигнута высокая химическая чистота.

Потери в стеклянных волокнах возникают вследствие поглощения, рассеяния и геометрических дефектов.

Для численной характеристики потерь оптической энергии рассматривается показатель затухания б:

, (2)

где б - показатель затухания;

Рвх - мощность сигнала на входе линии связи;

Рвых - мощность сигнала на выходе линии связи.

Рассмотрим потери вследствие поглощения. Даже самое чистое стекло поглощает свет внутри определенных областей спектра. Это собственное поглощение является естественным свойством стекол. Очень сильное собственное поглощение происходит в ультрафиолетовой части (на коротких длинах волны). Поглощение возникает вследствие сильных электронных и молекулярных переходов. Эти потери уменьшаются с приближением к видимой области спектра. Ультрафиолетовое поглощение отстоит далеко от области, где эксплуатируются волоконные системы, так что его вклад незначителен. Пики собственного поглощения также имеются в инфракрасной области спектра. Для типичных составов стекол пики поглощения, расположенные между 7 мкм и 12 мкм, далеки от области, в которой работают волоконные системы.

Инфракрасные потери связаны с колебаниями химических связей типа соединений кремния с кислородом. Тепловое возбуждение заставляет атомы постоянно перемещаться так, что химические связи SiO непрерывно расширяются и сжимаются. Эти колебания имеют резонансную частоту в инфракрасной области спектра. Как видно из рисунка 2.1, коротковолновая граница этого механизма поглощения простирается вниз по спектру, приближаясь к области, где функционируют волоконные системы.

Рисунок 2.1 - Спектральная характеристика затухания оптического волокна [5].

Инфракрасное поглощение вносит небольшие потери за окном прозрачности 1,6 мкм, используемом для волоконной связи. Фактически эти потери исключают использование стеклянных волокон на более длинных волнах.

Итак, собственные потери обычно невелики в широкой спектральной области, где работают волоконные системы, но эти потери делают невозможным использование волоконных систем, как в ультрафиолетовом, так и более длинноволновом инфракрасном участке спектра.

В некоторых случаях сигнал, достигающий приемного устройства, слишком слаб для качественного приема, хотя форма принятого сигнала удовлетворительна. Когда затухание в волокне является основной проблемой, то говорят, что система ограничена по мощности.

В волоконных линиях связи имеют место также ограничения на дальность передачи по допустимым искажениям формы импульсов.

Для некоторых трактов мощность сигнала на приеме достаточна, но искажения формы сигнала препятствуют безошибочному восстановлению передаваемого сообщения. Говорят, что такие системы ограничены шириной полосы пропускания.

Оптические волокна подразделяются на одномодовые и многомодовые.

Волновая мода описывает форму движения электромагнитной волны в волноводе. При фиксированной частоте, фазе и поляризации, таких форм движения внутри замкнутого пространства волновода может быть несколько, если волновод достаточно широкий по сравнению с длиной волны. Если волновод узкий (менее 10 мкм), через него распространяется всего одна волновая мода.

В наиболее общем случае - в многомодовом оптическом волокне, сигналы искажаются за счет многомодового уширения импульсов, и, кроме того, вследствие хроматической дисперсии.

Расхождение времени прохождения пути разными модами возникает вследствие нескольких причин: перемешивания мод и преимущественного затухания высших мод.

Перемешивание мод обусловлено обменом мощности между модами в процессе их распространения. Траектория распространения оптической энергии в волноводе для некоторой моды может отклоняться (на изгибах и в соединителях) и попадать на траекторию другой моды. В результате энергия, переносимая любой из мод, распространяется по зигзагообразной траектории, которая находится между самой короткой (осевая мода) и самой длинной траекторией (критическая мода).

Вторая причина снижения значения уширения импульсов - повышенное затухание мод высших порядков. Эти моды распространяются по волокну в течение большего промежутка времени, чем моды низших порядков, вследствие их зигзагообразных траекторий, и более глубокого проникновения в оболочку. Следовательно, они испытывают большее затухание. Имея меньшие амплитуды, они дают меньший вклад в мощность выходного импульса, чем моды нижних порядков. Взяв производную от выражения (2.1) видим, что все моды переносят одинаковую мощность. Если модами высшего порядка пренебречь вследствие их уменьшенного вклада, то уширение импульса будет меньшее, чем значение, предсказанное уравнением (2.1).

В наиболее общем случае - в многомодовом ступенчатом оптическом волокне, это уширение может быть представлено в виде

, (2.1)

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

NA - числовая апертура волокна.

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

(/L)= 67 нс/км.

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

= 6,7 мкс.

Экспериментально полученные значения уширения импульсов для оптических волокон из кварца дают несколько меньшие значения - 10…50 нс/км [5].

Модовые искажения не зависят от длины волны, и, таким образом, на них не влияет ширина спектра источника излучения. В этом их отличие от материальной и волноводной дисперсии, которые зависят и от длины волны и ширины спектра источника излучения.

Общее (результирующее) уширение импульса вследствие модовых искажений и хроматической дисперсии

, (2.2)

где ()мод - многомодовое уширение импульса,

()хр - уширение импульса вследствие хроматической дисперсии.

В одномодовых волокнах межмодовая дисперсия отсутствует. Поэтому решающую роль играет хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия представляет собой сумму материальной и волноводной дисперсий [5], стр.43:

D(л) = DB(л) + DM(л) , (2.3)

где DB(л) - волноводная дисперсия, вызванной частичным проникновением оптической волны в кварцевую оболочку волокна; волноводная дисперсия зависит от формы профиля показателя преломления волокна.

DM(л) - материальная дисперсия, обусловленная зависимостью показателя преломления от длины волны.

Спектральная характеристика результирующей хроматической дисперсии приведена на рисунке 2.2. Из этого рисунка видно, что хроматическая дисперсия приближается к нулю в окне прозрачности 1.3 мкм, для которого проектируется наш оптический усилитель.

Рисунок 2.2 - Хроматическая дисперсия оптического волокна [5].

Сделаем выводы.

Преимущество одномодовых волокон в их большой информационной емкости, обусловленной отсутствием модового уширения импульсов. Эти волокна следует использовать в длинных, с большой информационной емкостью, линиях.

В длинноволновой части спектра (1300…1600 нм) затухание не велико. Работа в этой области целесообразна для дальней связи.

Близкое к нулю значение хроматической дисперсии наблюдается на длине волны 1,3 мкм, которая рекомендуется для высоко скоростных линий связи.

В данной спектральной области усилители на активных волокнах не работают, поэтому возникает необходимость проектирования оптического усилителя на полупроводниковом лазерном диоде.

Делись добром ;)