Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ) (стр. 3 из 11)
Наблюдения и измерения искажений сигнала проводились как в КВ, так и ДЦВ диапазонах. Исследовалось при этом влияние
как ВОК, так и лазерных излучателей на качественную и количественную картину искажений радиосигналов.
1.1.5. Исследование искажений радиосигнала в аналоговой ВОСПИ и одномодовым ВОК.
В качестве лазерного излучателя на λ=1,3 мкм, разработанный ФТИ им. академика А.Ф.Иоффе, с выводом излучения в одномодовое волокно, а также полупроводниковый лазерный излучатель, разработанный НПО “Полюс”, одномодовый, одночастотный с оптическим изолятором и выводом излучения в одномодовое волокно. Блок-схема приведена на рис. 1.4
В качестве ВОК использовалось одномодовое волокно длиной L=1км. с погонным оптическим затуханием α=0,7 дБ/км. на λ=1,3мкм.
Для наблюдения влияния механических воздействий и других воздействий на режим работы лазерного излучателя и соответственно на искажение сигнала использовался встроенный в лазерный излучатель фотодиод, работающий на усилитель “У”.
Условные обозначения элементов блок-схемы на рис. 1.4 соответствуют:
Г1 - генератор Г4-107.
Г2 - генератор Г5-158.
УМ - усилитель-модулятор.
У - усилитель.
ИЛПН-109 – лазерный многомодовый излучатель.
ИЛПН-206 – лазерный одномодовый излучатель.
ВОК – волоконно-оптический кабель.
ОА – оптический аттенюатор
К1…К6 – ключи.
Генераторы Г4-107 и Г5-158 использовались в качестве генераторов радиосигнала.
Для исключения влияния обратного отражения оптической мощности на работу лазера был использован оптический аттенюатор, который на (16÷20) дБ. ослаблял сигнал, поступающий в ВОК.
Одномодовое волокно в сечении Nсоединено с одномодовым выводом лазерного излучателя посредством сварки.
При изменении отражения от торца волокна по стрелке А происходило изменение режима работы лазера, что приводило к следующим явлениям:
1. Изменились собственные шумы излучения лазера.
2. Изменялся уровень излучаемого сигнала.
3. Изменились нелинейные искажения.
Эти изменения по пунктам 1÷3 происходили в интервале от одного до трех раз, если торец волокна по стрелке А присоединился к фотодиоду ФПУ или был свободен, то есть изменялись условия отражения оптического сигнала от приемного конца ВОК.
Аналогичные явления по пунктам 1÷3 наблюдались и при механическом воздействии по стрелке В на ВОК, но их явления проявлялись слабее.
При проведении вышеперечисленных экспериментов с лазерным излучением и оптическим изолятором, явлений по пунктам 1÷3 не наблюдалось.
1.1.6. Определение основных характеристик оптических излучателей и фотоприемников.
Кроме вышеперечисленных искажений в аналоговой ВОСПИ возможно возникновение искажений сигнала в ФПУ при использовании в качестве фотодиодов лавинных фотодиодов (ЛФД), которые обладают малыми собственными шумами, но создают значительные нелинейные искажения при небольшом уровне сигнала. У ЛФД динамический диапазон достигает величины не более 40 дБ. Для достижения большого динамического диапазона изменения радиосигнала, лазерные излучатели должны обладать очень малыми собственными шумами, а также иметь очень линейную ватт/амперную характеристику, обеспечивающую динамический диапазон изменения радиосигнала, особенно для КВ диапазона, более 60 дБ. по интермодуляционным искажениям второго порядка.
Все эти требования лазерные излучатели и фотодиоды должны обеспечивать во всем желанном диапазоне радиосигнала, то есть от fн=60 кГц. до fв=500 МГц.
Кроме искажения сигнала, возникающих в ВОСПИ из-за влияния оптоэлектронных элементов (ВОК, лазерные излучатели,
фотодиоды) в аналоговых ВОСПИ используются и чисто электронные элементы (транзисторы, диоды, микросхемы),
которые в свою очередь, создают дополнительные искажения, частотные искажения.
Для исключения их влияния динамический диапазон устройств, созданных на этих элементах – усилителей, модуляторов для модуляции лазерных излучателей, а также усилителей для фотоприемных устройств, должен быть больше, чем динамический диапазон самих лазерных излучателей, то есть более 70 дБ. в КВ диапазоне и более
56 дБ. в ДЦВ диапазоне.
Выводы:
Учитывая все вышеперечисленное, можно сделать вывод, что при коротких линиях аналоговых ВОСПИ для исключения искажений сигнала необходимо использовать одномодовые одночастотные лазерные излучатели с оптическим изолятором на выходе, работающие на одномодовой ВОК. В этом случае практически исключается влияние ВОК, подвергающемуся механическим и другим воздействиям в процессе эксплуатации, на режим работы лазерного излучателя.
На приемном конце оптической линии в качестве фотодиода необходимо использовать p-i-n фотодиоды из Geили Jn;Ca;As;Pматериалов.
1.2.1. Волоконно-оптический кабель.
В настоящее время в качестве линии оптического сигнала используется ВОК. Для наших целей, так как сигнал узкополосный может быть использован как многомодовый, так и одномодовый ВОК. Рассмотрим затухание сигнала в этих ВОК. Величина погонного затухания очень сильно зависит от длины волны, применяемой для передачи информации ВОК. На рис. 1.5 приведены графики погонного затухания в зависимости от длины волны для двух типов ВОК.
Рис. 1.5 Зависимость погонного затухания от длины волны.
1 – многомодовый ВОК.
2 – одномодовый ВОК.
Как видно из графиков, рациональнее использовать одномодовый ВОК, работая на волнах 1300 нм.
Исходя из условий эксплуатации (постоянные механические воздействия с различной частотой и усилением) в ВОСПИ могут возникать дополнительные искажения сигнала в зависимости от того, каким лазерным излучателем возбуждается какое оптическое волокно.
При возбуждении одномодовым излучателем одномодового волокна дополнительных нелинейных искажений при механических воздействиях на волокно не происходит (т.к. не происходит эффекта перемешивания мод) т.е. не появляются дополнительные ложные сигналы с частотами f=(mf1± nf2), а также не изменяется уровень принимаемого сигнала (это явление отсутствует и при возбуждении многомодовым излучателем многомодового волокна). Таким образом, для исключения влияния механических воздействий, необходимо построение аналоговой ВОСПИ по структуре:
одномодовый излучатель - одномодовый ВОК.
Рекомендуемый вариант построения ВОСПИ имеет свои
достоинства и недостатки: одномодовый излучатель – одномодовый кабель, малое затухание, но требуется высокая точность настройки разъемов.
В нашем случае не требуется частых разъединений, а необходимо только первоначальное подключение. Поэтому ограничения на монтировку нас особо не стесняет.
1.2.2. Излучатели.
Выполнение требований технического задания по частотному диапазону (Fв ≤ 400 МГц) приводит к тому, что в качестве излучателя может быть использован излучатель ИЛПН – 206 с ОИ.
Источник оптического излучения должен излучать световой поток на длине волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в ОВ, обеспечивать эффективный ввод излучения в ОВ, иметь малые габариты, вес и потребляемую мощность, отличаться простотой, надежностью и высокой долговечностью. Для возбуждения лазерного излучателя необходим усилитель – модулятор. К УМ предъявляются требования: отношение сигнал/шум на выходе, должно быть равным сигналу/шуму на его входе, динамический диапазон по оптическому, а тем более по электрическому сигналу должен быть
D≥ 60 дБ.
1.2.3. Фотоприемные устройства (ФПУ).
Одним из главных функциональных элементов схемы среди блоков волоконно-оптической системы передачи является Фотоприемное устройство. Фотоприемник изготавливается из полупроводниковых материалов. Существуют определенные требования к его качеству и надежности, поскольку отказ любого элемента данного ФПУ приводит к нарушению правильной работы всего ствола линии.
Качество работы ФПУ характеризуется следующими основными параметрами:
· Чувствительность
· Динамический диапазон
· Коэффициент ошибок
Фотодетектор должен вносить минимальные шумы в приемную систему, отличаться стабильностью рабочих характеристик, иметь небольшие размеры, быть высоконадежным и недорогим.
Приемные оптические модули серии PD-155-ip и PROM-155 выпускаются на основе импортных InGaAs/InPPIN– фотодиодов, интегрированных с малошумящим трансимпедансным усилителем со встроенной системой АРУ и дифференциальным выходом. Модель PROM-155 дополнительно имеет встроенный усилитель-ограничитель и PECL – выход отсутствия сигнала в линии. Модули предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2..155 Мбит/c.
Технические характеристики оптических модулей приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4. Технические характеристики (Т = 25 0С)
| Параметр | PD-155-ip | PROM-155 |
| Спектральный диапазон, нм | 1100..1650 | 1100..1650 |
| Скорость приема, Мбит/с | 2..155 | 2..155 |
| Мощность насыщения, дБм | +3 | +3 |
| Чувствительность, 155мБит/c | -36 | -36 |
| Тип оптического волокна | одномодовое | одномодовое |
| Тип разъема* | FC/PC | FC/PC |
| Тип корпуса | 4-pin, DIL-8 | DIL-14 |
| Напряжение питания, В | 4,5..5,5 | 4,75..5,25 |
* - тип разъема может быть изменен по согласованию с заказчиком.
В связи с тем, что ВОСПИ должна функционировать постоянно, а на приемной стороне будет использован автономный источник питания, для увеличенного непрерывного времени работы линии необходимо иметь ФПУ с возможно меньшим уровнем потребления мощности.