Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью (стр. 10 из 31)
Источниками излучения в оптических передатчиках с прямой модуляцией являются полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) или лазеры. Передатчики на основе светодиодов используются совместно с многомодовым волокном в низкоскоростных системах передачи информации на короткие расстояния. Основными недостатками светодиодов являются малая скорость передачи информации, малая выходная мощность, широкая полоса спектра и большая расходимость излучения.
В зависимости от скорости передачи (В) и энергетического потенцила (Э), которые берутся из табл. 2.1, выбираем пару источника излучения и фотодиода.
Таблица 2.1 Параметры СИД и ЛД
| Параметр | СИД | FP | DFB | VCSEL |
| Длина волны, нм | 850/1310 | 1310/1550 | 1310/1550 | 850/1310 |
| Мощность на стыке с ОВ, дБм | -10…-15 | 0 | -1…2 | 0 |
| Спектральная ширина линии, нм | 30-60 | <3 | <0.1 | <3 |
| Максимальная скорость, Гбит/с | <0.155 | >2 | >10-40 | 2 |
| Тип волокна | MMF | SMF, NZDSF | SMF, NZDSF | MMF, SMF |
| Цена | низкая | Умеренно высокая | Высокая | Умеренная |
| Время наработки на отказ, ч | 109 | 108 | 108 | 108 |
SMF – стандартное одномодовое волокно, MMF – многомодовое волокно, NZDSF – волокно со смещенной ненулевой дисперсией
Рис. 2.5. Зависимость энергетического потенциала между передающим и приемным модулями для различного сочетания источников излучения и фотодиодов от скорости передачи.
В системах связи со скоростью менее 2,5 Гбит/с используются простейшие лазеры с резонатором Фабри – Перо и прямой модуляцией (рис. 2.6.).
При скоростях передачи информации В = 2,5 Гбит/с и выше необходимо использовать лазеры с распределенной обратной связью (DFB), в которых обеспечивается эффективная селекция мод и сужение спектра излучения (рис.2.7).
Рис.2.6 Полупроводниковый лазер с резонатором Фабри – Перо и спектр его излучения
Рис. 2.7. Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB) и спектр его излучения
В сетях связи возможно широкое использование лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) (рис.2.8).
Рис.2.8. Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)
Достоинство VCSEL: возможность массового производства и тестирования , что ведет к значительному снижению их стоимости.
Преимущества: узкая полоса излучения, высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но доступная мощность излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих синхронно.
При проектировании оптической системы передачи на 10 Гбит/с и λ=1550 нм в качестве источника лучше использовать DFB лазер фирмы Nel - NLK3C8CAKB потому, что: работает в необходимом оптическом диапазоне и обеспечивает в нем мощность 1 дБм данный тип лазера имеет узкий спектр излучения (λ<0.1нм); имеет высокий уровень подавления боковых мод (35дБ); г) максимальная скорость передачи 10 Гбит/с; данный тип лазера имеет интегрированный в корпус электро–абсорбционный модулятор, что дает выигрыш в комбинации лазер + модулятор по цене и делает систему более компактной;
Таблица 2.2 Сравнение лазерных модулей
| Характеристики | Тип лазерного модуля | |||||
| ПОМ-03545 | ЛПН-602М | JDSU 54TM-3XYZ | CyOpticsD2500 | CyOpticsE3500 | NelNLK3C8CAKB | |
| Диапазон рабочих длин волн, нм | 1500…1550 | 1500…1550 | 1500…1580 | 1530…1570 | 1530…1563 | 1530…1565 |
| Мощность излучения, дБм | 0 | 0 | -1.5…2 | 1 | 0 | -1…2 |
| Пороговый ток накачки, мА | 25 | 30 | 20…50 | 12…50 | 5…35 | 15…30 |
| Сопротивление терморезистора, кОм | 19 | 10 | 15 | 10 | 10 | 10 |
| Максимальный ток микрохолодильника, А | 0.5 | 1 | 1 | 1 | 1.3 | 1.2 |
| Уровень подавления боковых мод, дБ | - | - | 30 | 30 | 30 | 35 |
| Время нарастания, спада (по уровням 20/80%), пс | - | - | 150 | 130 | 125 | 125 |
| Максимальная скорость передачи, Гбит/с | 0.155 | 0.622 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 10 |
Выбор фотодетектора. Наиболее распространены в ВОСП два типа фотодетекторов: pin-фотодиод и лавинный фотодиод (APD).
Pin: выделяют pin-фотодиоды на основе кремния и InGaAs. Чувствительность выражается в А/Вт или В/Вт и является мерой электрической мощности, которую можно ожидать на выходе фотодиода, отданной определенной, падающей на вход, световой мощностью сигнала. Для фотодиодов чувствительность отклика R связана с длиной волны светового потока λ и квантовой эффективностью η, той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон – дырка:
(А/Вт), где λ– в нм. 
Рис. 2.9. Зависимость чувствительности от длины волны для кремниевых фотодиодов
Как видно из рисунков, кремниевые фотодиоды могут использоваться в диапазоне коротких волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs – в диапазонах волн 1310 и 1550 нм.
Рис. 2.10.Зависимость чувствительности от длины волны для фотодиодов типа InGaAs
APDфотодиод представляет из себя pin диод с усилением. В его структуре присутствует дополнительная область усиления, приложив напряжение к которой можно добиться эффекта ударной ионизации. Эта усилительная зона достаточно велика, чтобы обеспечить полезное усиление порядка 100 (дБ) для кремниевых APD и 10-40 для германиевых и InGaAsAPD. У APD фотодиодов есть и недостатки – они характеризуются коэффициентом избыточного шума (F), т.е. вместе с усилением они вносят в сигнал дополнительный шум.
Чувствительность приемников оптического излучения.Важная рабочая характеристика ВОСП, определяющая качество связи - это коэффициент ошибок (BER). Его значение равно отношению числа ошибочно интерпретированных символов к общему числу переданных символов. Причина возникновения ошибок – наличие шумов.
В реальных системах связи значения фототока, соответствующие и 1, и 0, флуктуируют во времени из-за наличия шумов. Такие временные флуктуации тока могут привести к ошибочной интерпретации информационного символа. Природу возникновения ошибок в двоичных цифровых системах связи с амплитудной модуляцией поясняет рис. 2.11.
Рис.2.11. Электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сравнения
Уровень нуля I0, уровень единицы I1, уровень сравнения ID, длительность такта tD (слева) и распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала для 1 и 0 (справа). Закрашенные области показывают вероятности ошибок: Р(1/0) – вероятность интерпретации 0 как 1; Р(0/1) – вероятность интерпретации 1 как 0.
Из-за наличия шумов измеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренных значений тока при передаче логической 1 и 0 описывается соответствующими функциями F1(I) и F0(I) распределения вероятностей. На рис. 2.11, справа, графики функций F1(I) и F0(I) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствующую уровню напряжения сравнения ID. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма малая, но отличная от 0 вероятность неправильной интерпретации принятого сигнала. Вероятность Р (1/0) ошибочной интерпретации 0 как 1 определяется площадью под частью функции распределения F0(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. Аналогично вероятность Р (0/1) ошибочной интерпретации 1 как 0 определяется площадью под частью функции распределения F1(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. При равной вероятности передачи 0 и 1 коэффициент ошибок определяется простым выражением:
В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности и со среднеквадратичными отклонениями
, 
для 1 и 0 соответственно коэффициент ошибки определяется выражением: 
, где 
– показатель качества принимаемого сигнала.Для нормальной работы ВОСП требуется, чтобы шум не превышал некоторого заданного значения. При фиксированной скорости передачи информации и пренебрежении шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать постоянными и не зависящими от мощности света. В этом случае Кош уменьшается при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличивается при его уменьшении. Минимальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи сигналов с заданным BER, называется чувствительностью оптического приемника. В цифровых системах голосовой связи максимально допустимое значение коэффициента ошибок обычно принимается равным 10–9.