Оптическая система передачи

Оптическая система передачи \ Волоконно-оптические кабели Целью изготовления волоконно-оптического кабеля (ВОК) является обеспечение защиты ОВ в процессе его эксплуатации от влияния внеш-них факторов при минимизации объема и массы кабеля и без заметного увеличения оптических потерь. В состав ВОК при необходимости могут быть включены также электрические проводники. Требования к оптическому кабелю: • минимальные оптические потери из-за механических напряжений, возникающих при изготовлении кабеля; • высокая механическая прочность при воздействии продольных и поперечных нагрузок; • устойчивость к проникновению влаги; • стабильность характеристик в заданном температурном диапазоне; • простота соединения и прокладки; • низкая стоимость кабеля, его прокладки и затрат на обслуживание. По назначению все кабели можно разделить на три группы: • кабели внутренней прокладки, используются внутри телефонных станций, офисов, зданий и помещений клиен-тов/абонентов • кабели наружной прокладки могут применяться практически на любых (сельских, городских, зоновых и магистральных) линиях связи (По условию прокладки - воздушные, подземные, подводные). • специальные кабели. По конструкции ВОК можно разделить на ряд типов в зависимости от назначения, условий прокладки и используемых конструктивных элементов. К таким элементам относятся: • оптические волокна, имеющие первичное и вторичное защитные покрытия, или специально подготовленные для укладки в кабель; • трубчатые модули, пластмассовые или металлические, в которых располагаются ОВ, называются также оптическими модулями (ОМ). Оптический модуль представляет собой трубку, изготовленную из полимерного материала, алюминия или нержавеющей стали, внутри которой в наполнителе (гидрофобном геле) или без него свободно уложен пучок ОВ; • профилированные сердечники, в продольных (по винтовой линии на периферии) пазах которых укладываются отдельные волокна, пучки волокон или размещаются трубчатые модули; • силовые элементы: центральные — в виде корда или металлической жилы, или внешние - в виде одного или нескольких повивов металлической проволоки. В качестве центрального силового элемента может быть стеклопластиковый стержень, пучок специальных высокопрочных арамидных нитей (типа кевлар, тварон или терлон), стальная проволока или алюминиевый профилированный стержень; • технологические элементы типа гидрофобных заполнителей (гелей) или водоблокирующих лент, препятствующих проникновению (и распространению) вдоль кабеля влаги, увеличивающей оптические потери; • специальные интегрированные элементы типа металлического проводника, используемые вместе с модулями в гибридных кабелях; • защитная броня либо в виде стальной (чаще гофрированной) ленты Рис. 5.13. Структура волоконнооптического кабеля Гибридный кабель Волоконно-оптические соединители Основные требования, предъявляемые к соединителям: • малые оптические потери; • механическая прочность и устойчивость к воздействию окружающей среды; • малая трудоемкость соединения. По числу одновременно соединяемых ОВ соединители разделяются • на соединители отдельных волокон • и многоволоконные соединители; По виду соединения – • на неразъемные соединения (сращивания) • разъемные соединения (разъемы). • При соединении волокон возникают оптические потери. Их величина определяется соотношением где мощность оптического излучения, соответственно, на входе и выходе соединителя. Потери в соединениях можно разделить на внутренние и внешние. Внутренние потери зависят от параметров соединяемых волокон: диа-метра и показателя преломления сердцевины, числовой апертуры, не-концентричности сердцевины и оболочки. На внутренние потери влияяют технология производства ОВ и критерии контроля качества. Потери из-за разности диаметров сердцевин числовых апертур определяются аналогичными соотношениями Рис. 5.14. Геометрическое рассогласование в соединениях из-за продольного «разноса» торцов, где s - расстояние между торца-ми, а - радиус сердцевины, - показатель преломления иммерсионно-го вещества; из-за углового рассогласования, где — в радианах; из-за радиального смещения в случае ступенчатого ОВ; Нейтральные и спектрально-селективные разветвители используются в локальных сетях, при построении распределенных волоконно-оптических сетей кабельного телевидения, а также в межгосударственных проектах полностью оптических сетей. Оптический разветвитель представляет собой в общем случае оп-тический многополюсник, в котором излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между его остальными оптическими полюсами. По спектральным свойствам оптические разветвители делятся на • нейтральные (ахроматические) • и спектрально-селективные. Нейтральные разветвители. Нейтральным называется разветвитель, характеристики которого в достаточно широком спектральном диапазоне не зависят от длины волны оптического излучения. По топологии разветвители делятся на древовидные, звездообразные и ответвители(рис. 5.17). Рис. 5.17. Виды нейтральных разветвителей . Основные параметры нейтральных разветвителей. Коэффициент передачи Коэффициент направленности . Потери обратного рассеяния [дБ]. Полные избыточные потери [дБ], Рабочий диапазон длин волн Потери на разветвлении —Для идеального разветвителя с одним входным и п выходными полюсами, . Так, для развеет-вителя 4x4 потери дБ. Спектрально-селективные разветвители (спектральные демультиплексоры). Это оптические многополюсники, коэффициент передачи которых зависит от длины волны. Основное назначение таких устройств: разделять по выходным полюсам оптические сигналы с разной оптической несущей — разной длиной волны. Спектрально-селективные разветвители, как и нейтральные, - обратимые устройства. Работающий в режиме объединения разветвитель - спектральный мультиплексор. Спектральные мульти/демультиплексоры используются в ВОСП с волновым объединением/разделением информационных каналов Основным элементом таких устройств является спектрально-селективный элемент (дифракционная решетка, интерференционный фильтр и т. д.). Они могут быть также сделаны и с использованием специальных технологических приемов (сплавной направленный ответвитель) или на основе интерференционных явлений (интерферометр Маха-Цандера, эшелон Майкельсона). Эти технологические приемы позволяют реализовать периодическую спектрально-селективную структуру Фазовая дифракционная решетка Для такой решетки угол между направлением на дифракционный максимум и падающим оптическим пучком определяется соотношением . угол отклонения оптического пучка пропорционален его длине волны. Это свойство дифракционной решетки и используется для пространственного разделения оптического излучения с разной длиной волны Спектральный демультиплексор на отражательной решетке Спектральные разветвители на основе массива волноводов Основные параметры спектрально-селективных разветвителей • Число каналов • Полоса пропускания одного канала . • Максимальные вносимые потери • Изоляция соседних каналов Источники и усилители оптического излучения Полупроводниковые лазеры и светодиоды Важным узлом волоконно-оптической системы является передающее устройство, в котором осуществляется: • генерация оптического излучения; • модуляция оптического излучения информационным электриче-ским сигналом; • ввод оптического излучения в ОВ. Источниками оптического излучения для ВОСП являются полу-проводниковые излучающие приборы • лазерные диоды (ЛД) • свето-излучающие диоды (СИД). Любой лазер состоит из двух основных элементов: • усилителя оптического излучения • цепи положительной обратной связи в виде оптического резонатора. Это сочетание и образует генератор, подобный другим генераторам электромагнитных колебаний Полупроводниковый лазер или ЛД представляет собой полупро-водниковую двойную гетероструктуру, которая выполнена в форме оптического резонатора. В простейшем случае - это резонатор с двумя плоскопараллельными зеркальными торцевыми гранями. Ими может служить естественная поверхность полупроводника, сколотая по кристаллической плоскости. Большая величина показателя преломления активной среды (полупроводника) обеспечивает заметное отражение от такой поверхности (30 - 40 %), достаточное для создания положительной обратной связи В процессе возникновения колебаний устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству усиления и потерь на один проход. В понятие «потерь» включена и та часть мощности излучения, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение в лазере не может начаться, пока усиление не превысит потери. Это условие соответствует пороговой инверсии населенности, ниже которой преобладает спонтанное излучение, а выше - быстро возрастает индуцированное. Пороговая инверсия населенности возникает при некоторой плотности тока, протекающего через переход, называемой пороговой плотностью тока или пороговым током Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре В современных высокоскоростных ВОСП применяются более сложные структуры, включающие, например, • резонаторы с распределенной обратной связью (РОС-лазеры), в виде распределенных брэгговских отражателей (РБО-лазеры), • квантово-размерные структуры и т. д. Применение таких структур позволяет значительно улучшить спек-тральные характеристики и стабильность лазера. Светоизлучающие диоды, также строятся на двойных полупроводниковых гетероструктурах и излучают за счет рекомбинации неосновных носителей, инжектированных в активную зону при прямом смещении. Индуцированные переходы не используются, нет усиления оптического излучения в активном веществе, не нужен резонатор. Если в конструкции ЛД на основе двойной гетероструктуры принять меры к тому, чтобы не возникали лазерные колебания (просветление одного из зеркал, короткая длина резонатора, протравливание щели у одного из торцов для внесения потерь), получим СИД с торцевым из-лучением или суперлюминисцентный СИД. Структура такого СИД подобна структуре лазера, но с увеличенными поперечными размерами активной области. Поверхностный СИД Активная область p-n-перехода такого СИД, как и в лазере, распо-лагается между двумя слоями полупроводникового материала с показателем преломления, меньшим, чем в активной области. В результате образуется оптический волновод, который и приводит к более направленному характеру внешнего излучения. Возникшее в активном слое излучение распространяется параллельно плоскости p-n-перехода. При этом толщина активного слоя делается больше, что приводит к более высокому пороговому току генерации, в результате чего устройство работает в допороговом режиме, т.е. в режиме светодиода. Основные характеристики источников излучения Спектральная характеристика — зависимость спектральной плотно-сти излучения от длины волны. Основные параметры - центральная (средняя) длина волны , ширина (по уровню 0,5) , и форма характеристики. Средняя длина волны излучателя определяется шириной запре-щенной зоны используемого полупроводникового материала и опреде-ляется как где , - длина волны, мкм; - ширина запрещенной зоны, эВ. Ширина спектральной характеристики СИД (Светоизлучающий диод имеет непрерывный спектр излучения.) где - постоянная Больцмана. Например, при комнатной температуре для = 1,3 мкм, 70 нм. Ширина спектральной линии лазера меньше по крайней мере на порядок. Это вызвано двумя причинами: • во-первых, вероятность индуцированных переходов в активном веществе, а значит и коэффициент усиления, максимальны в центре спектральной линии, что и приводит к сужению спектра; • во-вторых, наличие в составе лазера спектрально-избирательного элемента — оптического резонатора. В резонаторе, как и в волокне, могут существовать только разре-шенные типы колебаний - моды. Но в отличие от волокна, моды ЛД могут отличаться не только поперечным распределением поля – поперечные моды, но и числом полуволн, которое укладывается по длине резонатора - продольные моды. Продольные моды отличаются друг от друга по длине волны. Поэтому их часто называют не модами, а частотами лазера Спектральные характеристики ЛД • Интервал между отдельными продольными модами (частотами) определяется соотношением п = 4 (GaAs) и длине резонатора 500 мкм = 75 ГГц, т.е. 0,2 нм Ширина спектральной линии отдельной продольной моды не пре-вышает 0,1 нм. Общая ширина огибающей спектра лазера составляет примерно 2...5 нм. Полупроводниковые лазеры, содержащие периодическую структуру - лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) и с рас-пределенным брэгговским отражателем (РБО-лазеры), имеют спектр излучения в виде одной продольной моды Ватт-амперная характеристика - зависимость выходной оптической мощности от тока накачки. Типичные ватт-амперные характери-стики для СИД и ЛД. СИД ЛД Ватт-амперные характеристики полупроводниковых излучателей Частотные свойства источников излучения. Для СИД, работающих на спонтанных переходах, используется только модуляция по интенсивности излучения посредством изменения тока накачки. Мощность излучения растет линейно с увеличением тока инжекции и ограничивается лишь тепловыми эффектами. Как правило, до насыщения модуляционная характеристика светодиода линейна. Выходная мощность излучения зависит от частоты согласно соотношению где - постоянная составляющая мощности модулированного сигнала; - время жизни неосновных носителей в активной зоне. . В настоящее время полоса модулирующих частот для светодиодов составляет десятки - сотни мегагерц. В ЛД в отличие от СИД возможны различные виды модуляции: частотная, фазовая, модуляция по интенсивности. При импульсной модуляции интенсивности ЛД возможны опреде-ленные искажения формы импульса оптического сигнала, а именно: • задержка фронта импульса на время , ведущая к укорочению импульса излучения по сравнению с модулирующим импульсом; • нестабильность импульса во времени; • релаксационные колебания в начальной части импульса ("звон"); • паразитная внутриимпульсная частотная модуляция оптического импульса. Пространственные характеристики излучателей и эффективность ввода излучения в оптические волокна. Эффективность соединения определяется как где мощность оптического излучения в ОВ и на выходе излуча-теля, соответственно. Сильное влияние на величину оказывает пространственная ха-рактеристика излучения - диаграмма направленности излучателя. Эта характеристика двумерна, для поверхностного СИД симметрична, а для ЛД и суперлюминисцентного СИД несимметрична. Модель излучателя с симметричной характеристикой - ламбертов источник. Он имеет пространственно-симметричную диаграмму на-правленности, определяемую как (6.3) где угол между нормалью к излучающей поверхности источника и направлением распространения излучения в любой плоскости, прохо-дящей через эту нормаль; плотность мощности излучения вдоль нормали. Для более направленных источников часто используют модель моди-фицированного ламбертова источника с диаграммой направленности вида В настоящее время эффективность ввода излучения СИД в много-модовые волокна составляет доли-единицы процентов, а при использо-вании ЛД достигает 60-80% даже в одномодовое волокно. Передающий оптоэлектронный модуль В состав передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) кроме излучателя (ЛД или СИД) входят электронные схемы накачки и стабилизации режима работы излучателя. Кроме того, в конструкции ПОМ предусмотрено соединение с ОВ. Для повышения эффективности ввода излучения в волокно в корпусе излучателя располагаются оптические согласующие устройства: сферические или цилиндрические микролинзы, градиентные линзы и т.д. В ряде применений лазерных излучателей требуется термостаби-лизация лазера, которая осуществляется с помощью термоэлектрического холодильника (элемент Пельтье). В состав ЛД обычно входит фотодиод обратной связи для стабилизации режима работы лазера. Таким образом, ПОМ содержит: • активный элемент - лазер на теплоотводе; • термоэлектрический холодильник для снижения температуры активного элемента; • фотодиод, на который падает излучение с грани, противопо ложной выходному излучению; термистор для контроля температуры лазера; элемент соединения с ОВ . Структурная схема ПОМ Влияние обратного света на характеристики лазера заметно уже при попадании в лазер 0,003% излученного света, а при попадании 5% -обратное оптическое излучение приводит к генерации импульсного типа. Вследствие попадания отраженного сигнала в лазер могут происходить следующие изменения характеристик: • изменение формы ватт-амперной характеристики, величины порогового тока; • изменение спектра колебаний (сдвиг резонансной длины, изменение числа генерируемых продольных мод). На приведена часть принципиальной схемы – передающего оптического модуля с лазерным диодом (ЛД), используемого в ВОСП. В оп­тической головке модуля находятся ЛД с двойным гетеропереходом и фотодиод для обратной связи, детектирующий излучение, выходящее через заднюю грань лазера. Управление лазером, стабилизация его режима работы осуществляется с помощью цепи обратной связи. Основная задача цепи обратной связи- регулировка режима работы лазера по среднему значению мощности излучения ЛД. Ниже в таблице приведены основные характеристики некоторых ПОМ, используемых в ВОЛС. Таблица 1. Основные характеристики ПОМ, используемых в ВОЛС. Параметры МПД-1-1А(Б) МПД-1-2А(Б) МПД-1-3А(Б) МПД-3-1 МПД-4-1 КЕМ-8-4ПД КЕМ-34-4ПД Н1321Р У23800 P ср.мВт 1(2)* --------- 0.5 1 1 1.2 0.08 Шир.спектра 1(2) --------- ---------- 4 4 1 160 Max.скорость Мбит/c 17 8.5 1.3 17 50 1000 200 Интервал Т © -60 +55 -10 +85 --------- -10 +40 -10 +40 -10 +30 -25 +85 Потребляемый ток mA 300 500 300 600 200 300 130 Длина волны мкм 0.78-0.95 0.8-0.95 --------- 0.82-0.88 0.82-0.88 1.3 1.28- 1.35 Оптическая система передачи Мультиплексор, MUX (Multiplexer) – устройство обеспечивающее объединение / разделение нескольких низкоскоростных каналов передачи данных в один высокоскоростной канал на одном конце и восстановление низкоскоростных каналов на другом. Аппаратная реализация мультиплексора может быть электрической и оптической (WDM). В электрической реализации нашли широкое распространение мультиплексоры технологий: - PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy – плезиохронной цифровой иерархии; - SDH, Synchronous Digital Hierarchy – синхронной цифровой иерархии; - ATM, Asynchronous Transfer Mode – асинхронного режима передачи. В оптической реализации применяются мультиплексоры оптических несущих для отдельных окон прозрачности оптического волокна (например: 1528.77 нм; 1529.55 нм; …; 1560.61 нм – всего 41 частота). Частотный интервал между несущими определяет вид мультиплексирования: WDM и DWDM. Плотное мультиплексирование предлагает расстояние между соседними длинами волн не более 2 нм. Оптический конвертор, OC (Optical Converter) – устройство, состоящие из оптического передатчика с преобразователями кода передачи и оптического приемника с преобразователями кода приема. В качестве оптического передатчика чаще всего применяются полупроводниковые лазеры (одномодовые и многомодовые), однако возможно применение различных светодиодов (поверхностных и торцевых). В качестве оптического приемника применяются фотодиоды типа p-i-n и лавинные (ЛФД). Преобразование линейного кода необходимо для помехоустойчивой передачи цифровых сигналов по оптической линии. Оптический усилитель, OA (Optical Amplifier) – устройство, обеспечивающее увеличение мощности оптического излучения. В составе аппаратуры могут применятся полупроводниковые и волоконные усилители. Оптические усилители могут использоваться в качестве усилителей мощности передачи, предусилителей на приеме и промежуточных усилителей вместо электронных регенераторов. Оптические усилители, как правило обеспечивают увеличение мощности оптических сигналов в широком спектре (в окне прозрачности) и могут использоваться совместно с оборудованием WDM. Регенератор, Reg (Regeneration) – устройство, восстанавливающее длительность и амплитуду электрических импульсов. Регенератор используется в приемной части мультиплексора, иногда он является составной частью оптического конвертора, а также применяется на промежуточных станциях в виде отдельного устройства и совместно с мультиплексорами WDM. Точки A, B, C, D…I, обозначенные на рисунке, называются точками сопряжения. Если параметры этих точек определены стандартами международных организации по стандартизации (например, Международным Союзом Электросвязи), то их называют интерфейсами. Использование различных видов оборудования в линиях передачи позволяет создавать различные каналы, тракты и секции. Каналы передачи (transmission circuit) – комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электросвязи в определенной полосе частот или с определённой скоростью передачи между сетевыми станциями. Каналы передачи подразделяют на аналоговые, цифровые и смешанные. Цифровые каналы в зависимости от скорости передачи, называют основным (64 кбит/с), первичным (2,048 Мбит/с), вторичным (8,448 Мбит/с), третичным (34,368 Мбит/с), четвертичным (139,264 Мбит/с). Каналы подразделяют на коммутируемые, арендуемые и виртуальные. Тракт передачи (transmission path) – комплекс технических средств цифровой системы передачи, предназначенный для передачи стандартизованных блоков (циклов) данных и сигналов для их обслуживания. Волоконно-оптический тракт – комплекс технических средств волоконно-оптической системы передачи, предназначенный для передачи оптических сигналов и сигналов обслуживания тракта. В некоторых реализациях аппаратуры нет достаточно определённого выделения оптического тракта. Секция (Section) – комплекс технических средств, предназначенный для передачи стандартизованных циклов (кадров, модулей) данных с соответствующими скоростями. Секции подразделяют на: - секции мультиплексирования; - секции регенерации; - секции оптического мультиплексирования; - секции оптической регенерации. Любая из секций представляет собой объект технического обслуживания и снабжается сигналами контроля и управления. 1.3. Классификация волоконно-оптических систем передачи информации. Классификацию ВОСП можно провести по разным признакам. Рассмотрим наиболее наиболее важные из них. 1.3.1. По виду используемой модуляции По виду используемой модуляции ВОСП подразделяются на: А) аналоговые ВОСП; Б) цифровые ВОСП. А) Аналоговые ВОСП характеризуются непрерывным изменением одного из параметров излучения, например: интенсивности оптического излучения при модуляции интенсивности; положения оптического импульса на временной оси при фазоимпульсной модуляции(ФИМ); длительности импульса или широтно-импульсной модуляции(ШИМ) и т. д. Б) Цифровые ВОСП характеризуются дискретным изменением одного из параметров переносчика сигнала. При этом область значений исходного параметра делится на некоторое, иногда достаточно большое число уровней квантования, каждому из которых ставится в соответствие определённый дискретный сигнал. Наиболее простым является двоичное кодирование в NRZ коде, когда каждому разряду числа представленному в двоичной форме сопоставляется один из двух возможных уровней сигнала - 0 или 1. В качестве примера десятичное число 13 можно представить в виде: 13 = 12+12+02+12, и это же число в двоичной форме будет иметь вид 1101. Соответствующие уровни сигнала должны быть установлены при двоичном кодировании этого числа. По функциональному признаку ВОСП классифицируются на: - Узловые – в которых передаваемая информация вводится и выделяется для нужд потребителя . Кроме этого здесь может предусматриваться организация одного или нескольких ответвлений и пересечений. - Оконечные – в которых осуществляется ввод и выделение передаваемой информации и обеспечивается перераспределение информации потребителям (телецентрам, междугородным телефонным станциям, междугородным вещательным аппаратным). - Промежуточные – где передаваемые сигналы ретранслируются, а также при необходимости выделяются сигналы телевизионного ствола или часть телефонного группового спектра. По способу управления: - Централизованные - Децентрализованные