Волоконно-оптической линии передачи

Разработка световодных систем и их опытная эксплуатации на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системе связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам. Последние представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения (кварцевое или многокомпонентное стекло, полимер, некоторые галоидные соединения). Волоконные световоды особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла) называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.

Перспективность волоконно-оптических линий передачи (BOЛП) обусловлена большой пропускной способностью волокна, защищенностью от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применять специальные меры по защите от опасных напряжен линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; возможность прокладки кабеля между точками с большой разностью потенциалов; высокой помехозащищенностью цифровых линейных трактов; малой металлоемкостью и отсутствием дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым значением коэффициента затухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10—150 км вместо 2—6 км); небольшими размерами кабеля.

Структурная схема ВОЛП показана на рис.5.1. Для работы одной многоканальной системы связи требуются два оптических волокна (OB): по одному передаются сигналы в направлении от А к Б, по другому — обратном. В оконечных пунктах передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрических сигналов в оптические. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) предназначен для преобразования оптических сигналов в электрические.

Основными элементами приемопередающих модулей являются источ­ник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит оптический кабель (ОК), в который через примерно равные про­межутки включены линейные регенераторы, а в случае использования вол­нового уплотнения оптических волокон — оптические усилители.

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

Источник оптического излучения. Основным элементом переда­ющего оптоэлектронного модуля является источник оптического излу­чения. Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверс­ной заселенности уровней называется накачкой.

При переходе атома с более высокого энергетического уровня (E₂) на более низкий (Е1) происходит излучение на частоте w = (Е₂ — E₁)*h, где h = 1,05 10^-34 Дж*с— постоянная Планка. Переходы с верхнего уров­ня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что ха­рактерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а так­же спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры).

Излучение обычных светодиодов является некогерентным и слабонап­равленным, ширина спектра излучения составляет (20—40) нм. Суперлю­минесцентные светодиоды имеют более высокую яркость и малую излуча­ющую поверхность по сравнению с обычными светодиодами. Длина волны светового излучения зависит от состава полупроводникового материала.

В качестве направленных источников излучения наибольшее при­менение получили полупроводниковые инжекционные лазеры. Они легко позволяют осуществить внутреннюю модуляцию оптического излучения по интенсивности. Ширина спектра излучения полупровод­никового лазера менее 2 нм,

Выбор источника излучения определяется областью применения системы передачи. Светодиоды используют в системах, предназначен­ных для работы на сравнительно небольшую дальность (примерно 10 км) и скорость передачи до 200 Мбит/с. Светодиоды обладают луч­шей линейностью характеристик, большим сроком службы, более сла­бой температурной зависимостью излучаемой мощности, чем лазеры. К недостаткам светодиодов следует отнести малую мощность излуче­ния и невысокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.

Лазерные источники излучения применяют преимущественно в системах передачи с большой дальностью и высокой скоростью пе­редачи. Они обеспечивают высокий к.п.д. согласования с оптичес­ким волокном.

Приемник оптических сигналов. Основным элементом приемного оптоэлектронного модуля является приемник оптических сигналов. В качестве приемника используют pin-фотодиоды и лавинные фотодио­ды. Известно, что в р-п переходе, на который подано обратное смеще­ние, существует зона, в которой нет свободных носителей заряда (обеднен­ная зона). Поглощение фотона в этой зоне сопровождается возникновением пары носителей зарядов — электрона и дырки, которые под действием постоянного электрического поля, созданного внешним источником напряжения смещения, перемещаются к противоположным зажимам фо­топриемника, образуя ток во внешней цепи. Этот ток и является сигна­лом на выходе фотодиода, его значение пропорционально мощности принимаемого светового излучения.

Когда световая мощность очень мала (нановатты), фототоки также малы (наноамперы), и в этом случае для уменьшения влияния шума (теп­ловые шумы, квантовые шумы) используют внутренее усиление в фото­приемнике (лавинный фотодиод) за счет эффекта лавинного умножения носителей заряда. Лавинные фотодиоды усиливают первичный фототок прежде, чем на полезный сигнал накладываются шумы. Однако они тре­буют более высокого напряжения питания и его стабильности.

Дата добавления: 2015-05-10