Энергетические процессы в волоконно-оптических системах передачи

Содержание

Введение

1. Структурная схема волоконно-оптической линии передачи.

1.1 Моделирование электро-оптического преобразователя (ЭОП).

1.2 Параметры и характеристики светодиодов.

1.3 Параметры и характеристики лазерных диодов.

1.4 Математическая модель электро-оптического преобразователя.

Выводы

2. Моделирование оптико-оптического преобразователя.

2.1 Затухание света в оптическом волокне.

2.2 Дисперсия сигналов в оптическом волокне.

2.3 Математическая модель оптико-оптического преобразователя.

Выводы

3. Моделирование оптико-электрического преобразователя.

3.1 Параметры и характеристики p-i-n фотодиода

3.2 Параметры и характеристики лавинного фотодиода.

3.3 Математическая модель оптико-электрического преобразователя

Выводы

4. Моделирование электро-электрического преобразователя.

4.1 Шумы электронных усилителей

4.2 Шумы лазера

4.3 Математическая модель электро-электрического преобразователя.

Выводы

5. Расчет бюджета времени нарастания волоконно-оптической линии передачи.

6. Разработка программы моделирования волоконно-оптической линии передачи.

6.1 Алгоритм расчёта программы «POWER-FOTL»

6.2 Блок-схема программы «POWER-FOTL»

6.3 Описание работы с программой

6.4 Пример моделирования с программой «POWER-FOTL»

7.Экономическая оценка проектирования волоконно-оптической линии передачи с использованием ЭВМ

8. Висновки та пропозиції.

9. Перелік посилань.

10. Додаток А. Лістінг програми. 11. Додаток Б. Креслення.

Введение

Современный этап развития техники связи характеризуется проведением интенсивных разработок и внедрением волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) информации. Интерес к ним объясняется большими возможностями этой новой области техники. Вырабатываются принципы построения таких систем и реализации их компонентов, строятся и вводятся в эксплуатацию линии, создаются условия для широкого их внедрения на действующих сетях связи.

Актуальность применения ВОСП обусловлена рядом их преимуществ по сравнению с системами передачи, использующими кабели с металлическими жилами.

Основные преимущества ВОСП:

1. высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически полное отсутствие взаимных влияний между отдельными волокнами многоволоконного ОК;

2. потенциально большая широкополосность (информационная ёмкость);

3. небольшая масса и габариты ОК (примерно в 10 раз меньше по сравнению с традиционными кабелями при одинаковом числе каналов связи). Это уменьшает стоимость и время прокладки ОК;

4. полная электрическая развязка между входом и выходом системы связи, не требуется общее заземление передатчика и приёмника;

5. надёжная техника безопасности ввиду отсутствия коротких замыканий – ОК могут быть использованы в пожаро- и взрывоопасных условиях (шахты, метрополитены);

6. потенциально низкая стоимость ОК.

Оптические волокна (ОВ) изготавливаются из сверхчистого стекла по сложной и дорогостоящей технологии, но в условиях массового производства их стоимость будет невысокой. Кроме того, при производстве ОК практически не используются такие дорогостоящие цветные металлы, как алюминий, свинец, запасы которых в основном исчерпаны;

7. потенциально низкая стоимость одного канало-километра линии связи.

Наряду с указанными преимуществами ВОСП имеются и недостатки:

1. малая механическая прочность ОВ;

2. зависимость передаточных свойств ОК от условий прокладки и эксплуатации;

3. нежелательность совмещения в ОК оптических волокон и металлических проводников (для дистанционного питания необслуживаемых регенерационных пунктов);

4. сравнительно высокая стоимость.

При проектировании ВОСП важно иметь информацию о влиянии параметров компонентов и субсистем на характеристики систем в целом.

Современным методом получения такой информации является моделирование на ЭВМ.

1 Структурная схема ВОЛП

Структурная схема ВОЛП приведена на рис. 1.

Исследуемая линия передачи моделируется четырьмя последовательно включенными устройствами:

Электро-оптическим (ЭОП), оптико-оптическим (ООП), опто-электрическим (ОЭП) и электро-электрическим (ЭЭП) преобразователями. Они соответственно представляют:

1) 1. Для ЭОП приняты следующие обозначения: Uвх, Iвх, Pэ вх – напряжение, сила тока и мощность электрического модулирующего сигнала на входе;

На схеме источник излучения (ИИ) – светодиод (СД), суперлюминисцентный (СЛД) или лазерный (ЛД) диод, управляемый усилителем накачки;

2) ООП характеризуются коэффициентом передачи мощности. Введены следующие обозначения:

Оптическое волокно (ОВ) одно– (ОМ) либо многомодовое (ММ) со ступенчатым (СОВ) или градиентным (ГОВ) профилем показателя преломления;

3) Для ОЭП приняты обозначения:

приемник излучения (ПИ) – фотодиод (ФД) p-i-n- либо лавинного (ЛФД) типа;

4) ЭЭП – сигнальный процессор характеризуется коэффициентом усиления мощности. Краткое обозначение на схеме: (СП) - сигнальный процессор.

Ниже будут рассмотрены принципы моделирования всех этих последовательно включенных устройств. Также будет рассмотрен способ моделирования волоконно-оптической линии передачи с учётом энергетических параметров этих устройств.

Структурная схема ВОЛП

1.1 Моделирование электро-оптического преобразователя (ЭОП).

В волоконных системах информация переносится при помощи оптических пучков создаваемых источниками излучения (ИИ). Наиболее широко используются полупроводниковые ИИ – лазерные диоды (ЛД) и светоизлучающие диоды (СД) поскольку они имеют: 1) небольшие размеры, соответствующие малым диаметрам волокон; 2) твердотельную структуру совместимую с современными полупроводниковыми электронными приборами; 3) низкое энергопотребление. В большинстве систем информация “накладывается” на пучок света путем модуляции прямого тока (накачки), протекающего через источник излучения.

1.2 Параметры и характеристики светодиодов (СД).

Оптическая мощность, излучаемая светодиодом, прямо пропорциональна протекающему через переход прямому току накачки. Типичная зависимость мощности излучения от тока накачки, называемая ватт-амперной характеристикой (ВтАХ), приведена на рис. 1.1. Линейная зависимость может быть объяснена следующим образом. Ток i равен числу носителей заряда, инжектируемых в переход за одну секунду. Число носителей за секунду N = i/e, где e – заряд электрона. Если  – часть носителей, которые прорекомбинируют и создадут фотоны, то выходная оптическая мощность

P = NWg = Wgi/e. (1.1)

Это соотношение является доказательством линейной связи между оптической мощностью и электрическим током. Энергия запрещенной зоны в соотношение подставляется в джоулях. Если она выражена в электронвольтах, то соотношение упрощается

P = iWg. (1.2)

Значения мощности, приведенные на рис. 1.1, не являются мощностью, введенной в волокно. Ограниченная числовая апертура волокна значительно уменьшает величину введенной мощности. Используемые на практике светодиоды имеют токи накачки 50…100 мA при напряжении прямого смещения 1,2…1,8 В.

Принцип осуществления цифровой модуляции показан на рис. 1.2. Диод модулируется с помощью источника тока, который переводит СД из режима включено, в состояние выключено. Аналоговая модуляция (рис. 1.3) требует, чтобы ток постоянного смещения I0 постоянно протекал через СД в прямом направлении. Без тока постоянного смещения отрицательная волна колебания тока сигнала заперла бы диод (смещала его в обратном направлении).

Общий ток через диод

(1.3)

и соответствующая выходная оптическая мощность

, (1.4)

где Pсп – пиковая мощность сигнала, соответствующая пиковому току накачки Iсп. Будем называть эту мощность переменной составляющей. Отметим, что форма огибающей оптической мощности в точности соответствует форме волны изменения входного тока из-за наличия линейной зависимости мощность-ток. Возможные отклонения ВтАХ от линейной зависимости искажают сигнал. Если требуются низкие нелинейные искажения, то должна быть оценена (или измерена) линейность ВтАХ используемого источника.

В предыдущих главах были рассмотрены причины ограничения скорости передачи информации по волокнам. Источник излучения также может ограничивать каналоемкость системы. На низких частотах модуляции Pсп = а1Iсп, где а1 = P/i – наклон ВтАХ на рис. 1.3. На высоких частотах большая часть быстро изменяющегося тока протекает через емкость перехода и паразитные емкости, что уменьшает величину переменной составляющей оптической мощности. Однако, еще большее ограничение высокочастотной модуляции происходит вследствие времени жизни