Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью (стр. 11 из 31)
С увеличением скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т.е. возрастает) в линейных единицах приблизительно пропорционально скорости B [бит/с]. Чувствительность современных цифровых высокоскоростных приемников на основе pin-фотодиодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 2.12).
Рис.2.12.Зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приемника на основе pin – фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников
В отсутствии шумов чувствительность фотоприемника определяется квантовыми свойствами светового излучения и называется квантовым пределом чувствительности. При высоких скоростях, таких как 2.5 Гбит/с и 10 Гбит/с, улучшение чувствительности APD приемников может оказаться значительным.
Для InGaAs/InPAPD, предназначенных для систем ВОСП с большой длиной волны, можно получить улучшение по крайней мере в 7 дБ по сравнению с pin приемниками на скорости 2.5 Гбит/с и 5 – 6 дБ на скорости 10 Гбит/с. Однако, при проектировании высокоскоростной системы передачи я сделал выбор в пользу InGaAspin диода. Это обусловлено следующими факторами: а) pin диоды имеют большую наработку на отказ (может быть в 10 раз больше чем у APD); б) pin диоды менее чувствительны к изменению температуры и более просты в обращении; в) pin диоды значительно дешевле APD (по данным Farnell.compin диоды в 10 – 20 раз дешевле APD);
2.2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема
Состав и назначение квантово-электронного модуля (КЭМ). Для повышения надежности и снижения требований к условиям эксплуатации и монтажа источники и приемники для ВОЛС выполняют в виде КЭМ, предназначенных для приема и передачи информации по ВОЛС.
КЭМ позволяет подключать с одной стороны аппаратуру (передачи или приема), а с другой — ОК. На передаче КЭМ обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический, а на приеме — обратное преобразование. В состав КЭМпер входят: полупроводниковый источник излучения с электронной схемой возбуждения (ИЛ), согласующие устройства, обеспечивающие эффективный ввод излучения в ОВ и разъемный соединитель, с помощью которого осуществляются подсоединение световода и ввод в него оптического сигнала. Каждый КЭМ комплектуют кабельной частью соединителя, рассчитанной на применение ВОК с диаметром световодной жилы около 10 мкм.
В состав КЭМпр входят согласующее устройство, разъемный соединитель, п/п фотодетектор, преобразующий оптический сигнал в электрический, и МШУ усилитель. Модули выполнены в виде герметических микросборок, используется тонкопленочная гибридная технология, бескорпусные дискретные компоненты и п/п интегральная схема.
Для уменьшения зависимости характеристик ИЛ от температуры и времени наработки используют систему стабилизации выходной мощности, поддерживающую постоянную выходную мощность излучения путем соответствующего изменения тока накачки. В качестве датчика обратной связи используют Si-фотодиод.
Конструктивно указанные модули размером в спичечную коробку содержат несколько микросхем и дискретных элементов, помещенных в герметичный корпус с оптическим разъемом.
Выбор КЭМ приема. Основными параметрами КЭМ приема цифровых ВОСП являются: рабочая длина волны; напряжение шума; пороговая мощность (чувствительность); скорость передачи; коэффициент ошибок; вольтовая чувствительность.
Рабочая длина волны КЭМпр - длина волны принимаемого оптического излучения, для которой его параметры нормированы.
Напряжение шума КЭМпр обусловлено шумами фотоприемника, и шумом предусилителя, включенного непосредственно после фотоприемника. Требование к предусилителю - обеспечение минимального уровня собственных помех в полосе частот усиливаемого сигнала.
Вольтовая чувствительность - отношение напряжения на заданной нагрузке КЭМпр и мощность излучения вызвавшего появление этого напряжения. Значение вольтовой чувствительности КЭМ приема лежит в пределах
Порог чувствительности определяет Рср minмощность излучения на входе КЭМпр для заданного сигнала, при которой обеспечивается заданное отношение SNR или заданный BER. Чем меньше порог чувствительности, тем больше энергетический потенциал системы и длина участка регенерации.
Параметры серийных КЭМ приема цифровых ВОСП приведены в табл.1.14. Основными характеристики: порог чувствительности, при которой обеспечивается заданный BER или требуемое SNR; скорость передачи информации; рабочая длина волны.
Таблица 2.3 КЭМ приема.
Расчет мощности излучения. Мощность источника излучения рассчитывается из формулы: Pпер = Рпр – Э [Вт], мощность приема (Рпр) была рассчитана, а Э берем из таблицы 2.3.
Выбор КЭМ передачи. Основными параметрами КЭМ передачи цифровых ВОСП являются: средняя мощность излучения; λ; ширина спектра излучения; скорость передачи.
В ряде случаев задаются эксплуатационные параметры: интервал рабочих температур; входное напряжение; напряжение питания и др.
Средняя мощность излучения определяется как среднее за данный интервал времени значения мощности на выходе оптического соединителя при определенном входном напряжении.
Длина волны излучения КЭМ передачи, на которой нормируются его параметры, называется рабочей длиной волны.
Ширина спектра КЭМ передачи определяется шириной спектра используемого излучателя.
Скорость передачи зависит от быстродействия источника излучения и электронной схемы возбуждения.
Для уменьшения влияния температурной нестабильности характеристик лазерного диода в состав КЭМ передачи входит фотоприемник, используемый в качестве датчика ОС. Ответвление части оптической мощности излучателя в цепь ОС осуществляют с заднего торца ЛД, а фототок датчика используют для управления режимом работы излучателя.
Паспортные характеристики серийных КЭМ для цифровых ВОСП приведены в табл.2.4. Основными параметрами являются скорость передачи, мощность излучения.
По полученной в результате расчета по формуле Pпер = Рпр – Э мощности передачи (Рпер) и скорости передачи (В), по табл.2.4 выбираем КЭМ передачи.
Таблица 2.4. КЭМ передачи.
2.3 Оценка параметров оптического волокна
2.3.1Выбор рабочей длины волны
Форма и длительность оптических импульсов. Оптические импульсы характеризуются зависимостью: P(t)=P0F(t). Длительность импульсов характеризуют полной длительностью TFWHM (TFWHM – это время, в течение которого мощность импульса постоянно превышает половину от максимального значения.) по уровню половины максимальной мощности (full width at half-maximum). Мера длительности импульса - корень из временной дисперсии импульса στ. Сама временная дисперсия σ2τ.:
,где
– энергия импульса и 
координата центра импульса, которую можно считать временем прибытия импульса, а угловые скобки означают операцию усреднения по времени.Импульсы стандартной формы. При теоретическом анализе работы систем связи часто используются импульсы стандартной формы, перечисленные ниже. Гауссов импульс F(t)=exp(-t2/T20),
TFWHM=2(ln2)1/2T0=1,665T0=2,35στ. Импульс в форме гиперболического секанса
Супергауссов импульс
. При m = 1 форма этого импульса представляет собой обычный гауссовский импульс. С увеличением m передний и задний фронты супергауссовского импульса становятся все более крутыми. Если определить длительность переднего фронта TN как время, в течение которого мощность импульса возрастает от 10 до 90% от пиковой мощности, то получим TN=(ln9)To/2m=1,1To/m, 
Это выражение позволяет оценить m из измерения T0 и TN. Как видно из формулы, увеличение m приводит к росту крутизны фронта. При неограниченном увеличении m супергауссовский импульс переходит в прямоугольный импульс.
Прямоугольный импульс
Электрическое поле оптических импульсов. Зависимость мощности от времени не полностью описывает оптический импульс, распространяющийся в одномодовом волокне. Оптический импульс представляет собой всплеск электромагнитного излучения конечной длительности, распространяющийся вдоль оси z. Для его полного описания надо задать изменение во времени электрического поля E(t,x,y) в некотором сечении волокна. Относительное распределение поля внутри одномодового ОВ в поперечном сечении часто можно считать постоянным и для многих типов ОВ известным. В этом случае импульс полностью описывается зависимостью напряженности электрического поля во времени E(t), поскольку E(t,x,y)=e(x,y)A(x,y)E(t), где e(x,y), A(x,y) характеризуют моду ОВ.
Электрическое поле E(t) короткого оптического импульса колеблется с угловой частотой ω0, соответствующей центральной световой длине волны импульса λ0. Используется комплексное представление поля E(t), действительная часть равна электрическому полю:
, отделим член, быстро осциллирующий на несущей частоте, от более медленно меняющейся компоненты, которая называется комплексной амплитудой поля: 
. Комплексная амплитуда представлена в виде произведения действительной амплитуды на фазовый множитель: