Оптические кабели и разъемы, их конструкции и параметры

Характеристики компонентов волоконно-оптических систем передачи

Лекция

Основные параметры ОВ: профиль показателя преломления, числовая апертура, коэффициент затухания, полоса пропускания.

Оптические кабели и разъемы, их конструкции и параметры.

Источники излучения передатчиков оптических линий связи: светодиоды и полупроводниковые лазеры, их основные рабочие характеристики. Ввод оптического излучения в волокно.

Фотоприемники оптических систем передачи: лавинные и p-i-n фотодиоды, принцип действия и параметры.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ВОЛС

Элементную базу ВОЛС составляют волоконно-оптические кабели, передающие и приемные оконечные устройства (модули), оптические соединители, разветвители, коммутаторы. Именно из этих аппаратурных средств создаются системы оптической связи. Но каждый из названных элементов представляет собой сложное.

1. Это обратное рассеяние, в особенности рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, позитивно используется как прецизионный «инструмент» исследования характеристик световода вдоль его длины устройство, в свою очередь состоящее из нескольких комплектую­щих элементов, свойства и характеристики которых в конечном счете определяют возможности ВОЛС. Эти оптические, опто-, мик­роэлектронные, оптико-механические элементы (изделия, материа­лы) также входят в элементную базу ВОЛС.

Оптические волокна. Определяющими в технике ВОЛС являют­ся кварцевые двухслойные волокна трех основных разновиднос­тей: многомодовые ступенчатые и градиентные, а также одномо-довые (рис. 9.6,а—в). В одномодовых волокнах закон изменения показателя преломления внутри сердцевины неважен, поэтому эти волокна, как правило, близки к ступенчатым. Показанный на

Рис. 9.6. Геометрия и профиль изменения показателя преломления кварцевых двухслойных многомодовых ступенчатых (а), градиентных (б), одномодовых (в) волокон. Геометрия сердцевины и числовые апертуры кварц-полимерных (г), из многокомпонентных стекол (д) и полимерных (е) световодов рисунке третий наружный слой в механизме светопередачи учас­тия не принимает.

Рис. 6.1 Ход световых лучей в оптических волокнах с разными коэффициентами преломления

Волоконно-оптический кабель (ВОК). Наиболее широкое рас­пространение получили четыре основные конструкции ВОК (рис. 9.9): повивная, в которой волоконные модули обвиваются вокруг центрального упрочняющего элемента; кабели пучковой скрутки, в которых навивке подвергаются группы (пучки) модулей, пред­варительно уложенные в трубки; кабели с профильным упрочняю­щим элементом, в которых волоконные модули свободно уклады­ваются в винтообразные пазы упрочняющего элемента; ленточные кабели, в которых скручиванию подвергаются ленты, содержащие несколько волокон и набранные стопой. Первые две конструкции являются классическими, заимствованными из электротехниче­ской практики.

Рис. 9.9. Основные разновидности волоконно-оптических кабелей: повивная конструкция (а), кабели пучковой скрутки (б), с профильным упрочняющим элементом (б), ленточный (г): 1 — волоконно-оптический модуль; 2 — упрочняющий элемент; З — защитная оболочка

Независимо от конкретной конструкции основными элемента­ми кабеля (кроме волоконных модулей) являются (на рис. 9.9 показаны упрощенные варианты): упрочняющие элементы, обыч­но полимерные, иногда металлические, служащие для придания кабелю необходимой разрывной прочности и разгрузки волокон от растяжения; наружные защитные покрытия, нередко многооболочечные, предохраняющие от проникновения влаги, паров вред­ных веществ и от внешних механических воздействий; армирую­щие элементы, повышающие сопротивляемость кабеля радиаль­ным механическим воздействиям; изолированные металлические провода, монтируемые в кабеле наряду с оптическими волокнами и обеспечивающие электропитание ретрансляторов на линии свя­зи; внутренние разделительные слои и ленты, скрепляющие от­дельные группы элементов и уменьшающие давление различных элементов конструкции друг на друга; гидрофобный заполнитель, ослабляющий вредное воздействие влаги на оптические волокна.

Обширные исследования световодных кабелей, создание ог­ромного числа разнообразных конструкций, более -чем 15-летний опыт производства и применения этих изделий — все это не при­вело, однако, к выработке окончательных оптимизированных ре­шений. Появление микронзгибов волокна в составе кабеля, термо­рассогласование волокна и кабельных материалов, гарантирован­ная защита от воздействия влаги на волокно — эти проблемы по-прежнему далеки от полного разрешения.

Передающие и приемные модули. Назначение передающего модуля (рис. 9.10,а) состоит в преобразовании входной информа­ции в виде, электрических сигналов в оптические сигналы, согла­сованные с каналом передачи (волоконным световодом); при этом модуль должен надежно функционировать при всех возможных изменениях внешних воздействующих факторов (температуры, -влажности, вибрации, колебаний напряжений питания и т. п.).

В устройстве возбуждения сигнал, поступающий через входной электрический разъем, преобразуется в мощные импульсы накач­ки, превышающие порог генерации лазера. Это устройство может осуществлять и некоторые дополнительные функции: задание по­стоянного смещения (предпороговая подпитка); придание импульсу накачки специальной формы, обеспечивающей форсирование начала и обрыва генерации; изменение длительности импульса возбуждения по сравнению с поступающим импульсом (например,, для улучшения теплового режима работы лазера) и т. п. В уст­ройство возбуждения могут быть введены и блоки, выполняющие

Рис. 9.10. Структурные схемы:

а — передающего модуля (1 — входной электрический соединитель; 2 — схема возбуждения; 3 — схема обратной связи; 4 — оптическое устройство ( — светоделитель; — согласую­щие элементы; —оптический соединитель); 5 — термоэлектрический охладитель ( — активный элемент; —схема управления; —датчик температуры); 6 — корпус); 6— приемного модуля (1 — оптический соединитель; 2— усилитель (включая предварительный усилитель ); 3 — схема оптимальной (квазиоптимальной) обработки (фильтр); 4— схема

принятия решения; б — электрический соединитель; в — корпус) электрические информационные цепи; цепи питания; оптические сигналы

совершенно иные функции: аналого-цифровое преобразование сиг­нала, кодирование, мультиплексирование и др. В этом случае пе­редающий модуль фактически превращается в оконечное устрой­ство линии передачи информации; -его описание выходит за рамки данного рассмотрения. Устройство возбуждения выполняется в виде интегральной монолитной или гибридной микросхемы.

«Центром» передающего модуля является излучатель — имен­но в нем происходит оптоэлектронное преобразование. Основные излучатели ВОЛС — полупроводниковые инжекционные гетеролазеры на основе соединений (для диапазона длин волн 0,8... 0,9 мкм) и (1,3... 1,6 мкм). Используются практически все структуры, предназначенные для получения низкого тока накачки и высокой степени когерентности: полосковые лазеры, лазеры с зарощенной структурой, с распределенной обратной связью и сдвоенные лазеры со сколото-связанными резонаторами. Модуль может содержать одновременно несколько лазеров, излу­чающих на разных длинах волн (для целей спектрального муль­типлексирования), в этом случае структурная схема соответствен­но видоизменяется и усложняется.

Излучение лазера поступает на выходное оптическое устройст­во, включающее элементы согласования (селективные фильтры или смесители мод; элементы, преобразующие диаграмму направленности излучения к оптимальному для ввода в волокно виду) и оптический соединитель. Часть светового потока лазера с по­мощью светоделителя (или путем использования внеапертурного излучения) направляется на фотоприемник обратной связи, кото­рый через микроэлектронное устройство управления так воздейст­вует на устройство возбуждения к на лазер, чтобы осуществля­лась компенсация температурных, деградационных и других изме­нений мощности на выходе модуля. Для ослабления температур­ных эффектов в модуль вводится термоэлектрический охладитель, включающий измеритель и схему автоматической регулировки температуры.

Важнейшей частью модуля является корпус, выполняемый обычно в виде плоской прямоугольной металлической коробочки с электрическим и оптическим соединителями на противоположных торцах. В тех случаях, когда предполагается монтаж модуля непо­средственно на печатную плату, электрический соединитель заме­няется системой выводов.

Для коротких ВОЛС с невысокими скоростями передачи инфор­мации удобно вместо лазера использовать светодиоды: это повы­шает надежность и долговечность передающего модуля, снижает его стоимость, резко упрощает структурную схему. В этом случае термоэлектрические охладители не нужны, исключается также цепь фоточувствительной обратной связи.

Передающие модули на основе полупроводниковых инжекционных излучателей (лазеров и светодиодов) характеризуются всеми достоинствами, присущими этим приборам: малыми габаритными размерами, долговечностью и надежностью, экономичностью, ма­лыми питающими напряжениями, простотой модуляции.

Приемный модуль (рис. 9.10,6) предназначен для обратного преобразования оптического сигнала, поступающего из канала пе­редачи (световода), в электрический и его восстановление до ис­ходного вида; через оптический согласующий элемент (обычно оп­тический соединитель, а иногда и фокусирующая линза) излучение поступает на чувствительную площадку фотоприемника, в качестве которого практически повсеместно используются фотодиоды: ла­винные и с -структурой. Для спектрального диапазона = 0,8... 0,9 мкм это кремниевые фотодиоды, для диапазона = 1,3... 1,6 мкм — фотодиоды на основе германия и глав­ным образом на основе соединений или Определенные перспективы для фотоприема в ВОЛС имеют гетерофототранзисторы со сверхтонкой базовой областью и планарные фоторезисторы (на основе кремния, арсенида галлия и др.).

Назначение последующих каскадов структурной схемы рис. 9.10,6 состоит в обеспечении оптимального (или квазиоптимального) приема, т. е. в реализации такого алгоритма, который по­зволяет получить наилучшие характеристики (порог чувствитель­ности, полоса частот и др.) при неизбежном действии шумов и искажениях. Конкретное исполнение этих каскадов зависит от типа используемого фотоприемника и вида поступающих информационных сигналов (их амплитуды, частоты следования, кода и др.).

Предварительные усилители обычно выполняются в одном из двух вариантов: высокоимпедансный (интегрирующий) усилитель тока (рис. 9.11,а) или трансимпедансный усилитель — преобра­зователь тока в напряжение, охваченный глубокой отрицательной обратной связью (рис. 9.11,6). Первый вариант характеризуется наименьшим уровнем шумов и соответственно максимальной по­роговой чувствительностью, но вместе с тем и ограниченным ди­намическим диапазоном, а также сложностью изготовления и ин­дивидуальной настройкой. Для второго варианта, напротив, ти­пичны большой динамический диапазон и широкая полоса час­тот, но он уступает первому по порогу срабатывания. В широко­полосных трансимпедансных усилителях наилучшие шумовые характеристики достигаются при использовании биполярных тран­зисторов.

Схема обработки сигнала представляет собой специальный электронный фильтр, предназначенный для уменьшения межсим­вольной интерференции, т. е. частичного наложения импульсов на выходе усилителя вследствие дисперсионных явлений в светово­де и динамических искажений в приемопередающих модулях. В схеме принятия решения (как правило, компараторе) сигнал срав­нивается с заданным смещением (порогом) и принимается реше­ние об истинности поступившей информации.

Кроме передающих и приемных модулей в линиях дальней связи необходимы также ретрансляторы, в данном случае актив­ные устройства с оптическими входом и выходом, в которых осу­ществляется регенерация (восстановление) оптических сигналов по мере их затухания при прохождении по световоду. Практиче­ски ретранслятор представляет собой объединение приемного и передающего модулей, т. е. оптоэлектронное устройство с двой­ным преобразованием энергии вида свет — электричество-—свет. Развитие интегральной оптики и бистабильных оптических устройств обещает привести к созданию ретранслятора ВОЛС, непо­средственно оперирующего с оптическими сигналами во всех звеньях.

Рис. 9.11. Схемы предварительных усилителей приемного модуля:

а — с интегрирующей -цепочкой; б — трансимпедансного усилителя ( — полная вход­ная емкость, — резистор обратной связи,, — эквивалентное входное сопротивление, — интегрирующая емкость, —операционный усилитель)

Коммутационные элементы (элементы связи). Это набор пас­сивных оптических элементов, приборов, устройств, обеспечиваю­щих объединение линейного тракта (кабеля) и активных приемно-передающих модулей в единую систему передачи с произволь­ной структурной конфигурацией и с заданным алгоритмом рас­пределения световых сигналов в этой системе. Коммутационные элементы содержат несколько групп изделий.

Оптические соединители предназначены для многократного сочленения-расчленения концов двух отрезков кабеля (соедините­ли типа кабель — кабель) или конца кабеля с передающим (приемным) модулем (блочные соединители). По числу одновремен­но соединяемых световодов они делятся на одно- и многоволоконные. В типичном одноволоконном (однополюсном) оптическом со­единителе (рис. 9.12,а) конец кабеля армируется жестким кали­брованным цилиндрическим элементом так, чтобы оси этого эле­мента и сердцевины волокна строго совпадали. В этом случае при соединении цилиндрические элементы совмещаются с помощью направляющей муфты, автоматически обеспечивая и совмещение осей волокон. В многоволоконных (многополюсных) соединителях (рис. 9.12,6) чаще всего используют конструкцию с У-образными канавками, в которых и размещаются отдельные световоды. Кро­ме соединителей линейного типа (рис. 9.12,6) известны матрич­ные с числом одновременно сочленяемых световодов.до 100... 150. Заметим, что число разновидностей опторазъемов, отличающихся друг от друга принципом сведения сочленяемых элементов, чрезвычайно велико: число наименований патентной литературы по этому направлению превышает несколько тысяч.

Рис. 9.12. Оптические коммутаци­онные элементы:

а, б — однополюсный и многополюсный соединители; в — голографический коммутатор; 1 — кожух; 2 — волокно; 3 — армиров-ка; 4 — направляющая муфта; 5 — кор­пус; 6 — волокна; 7 — цилиндрические выравнивающие элементы; 8 — плос­кость излучения волокон); 9 — отклоняющий элемент; 10 — плоскость приема Г волокон)

Рис. 9.13. Зависимость вносимых потерь сочленения двухслойных волокон от зазора между торцами (а), угла перекоса (б) и несоосности (в)

Чисто внешне оптические соединители обычно оформляются так же, как электрические для унификации в сфере применения.

Основной параметр оптического соединителя вносимые ш> тери пропускания ; приемлемый уровень этих потерь 1 дБ. Величину составляют неидеальность механизма соединителя (до­пуски при обработке деталей, истирание и усадка, различие тем­пературных коэффициентов используемых материалов и т. п.); несовершенство используемых волокон (линейные колебания диа­метра и числовой апертуры, допуски на диаметры сердцевины и оболочки, эллипсность их сечений, эксцентриситет и т. п.); техно­логические погрешности при заделке (армировании) конца кабе­ля, обусловливающие разъюстировку центров сердцевины волок­на и направляющего элемента; воздействие внешних факторов (ударов, вибраций, температуры, влажности и т. п.) в процессе эксплуатации. При расчете используют зависимости (теорети­ческие или эмпирические), подобные тем, которые представлены на рис. 9.13. Из этих графиков видно, что 1 дБ вполне реально, однако требует высокой прецизионности во всех компонентах сочленения.

Оптические разветвители, составляющие другую значительную группу рассматриваемых пассивных элементов, представляют со­бой устройства, в которых излучение, подаваемое на вход (или входы), распределяется по заданному закону между его выхода­ми; наибольшее распространение получили направленные ответ-вители (разветвители) и типа «звезда» (рис. 9.14). В направленном ответвителе (рис. 9.14,а) выходы 3 и 4 должны быть связаны со входами 1 и 2 определенным образом, а входы / и 2 развязаны между собой. Основными параметрами этих устройств являются: коэффициент связи (от 0 до 100%, при 100% вся мощность входа / поступает только на выход 3); коэффициент направленности, характеризующий развязку входов / и 2, который обычно должен превышать 40... 60 дБ; вносимые потери, приемлемый уровень которых, как и в случае соединителя, близок к 1 дБ. Принцип

Рис. 9.14. Оптические двухполюсный направленный разветвитель (а) и типа «звезда» (б): 1 — сердцевина; 2 — зеркало; 3 — оболочка

действия ответвителя основан на «просачивании» части световой энергии из сердцевины в оболочку и через нее в другое волокно, контактирующее с первым на некотором протяжении. Практиче­ски такие элементы изготавливают путем спекания волокон ци­линдрического или фоконного (конического) типа,, при этом для получения требуемых значений коэффициентов связи и направлен­ности варьируют углы конусности, близость расположения воло­кон, длину области взаимодействия, размеры и состав характер­ных частей волокон.

Оптический разветвитель типа «звезда» предназначен для рас­пределения входного сигнала между большим числом (до не­скольких десятков) однотипных абонентов. Основу конструкции на рис. 9.14,6 составляет оптический смеситель, представляющий собой отрезок двухслойного световода большого диаметра с посе­ребренным торцом, в котором световой поток благодаря много­кратному отражению равномерно распределяется во все выход­ные световоды. Устройство обеспечивает минимальные потери сиг­нала, равенство этих потерь для любой пары выходов,, слабую зависимость потерь от числа обслуживаемых терминалов, надеж­ность связи.

Оптические коммутаторы представляют собой устройства, фун­кционально реализующие полнодоступную схему с пг входами и п выходами, т. е. с полюсами; в частном случае при устройство называют оптическим переключателем.

К числу основных параметров этих приборов относятся вноси­мые потери, степень подавления перекрестных помех (ослабление сигнала между незамкнутыми полюсами), а также быстродейст­вие, оцениваемое временем переключения из одного состояния в другое. Кроме того, важны потребляемая устройством мощность* спектральная полоса пропускания, вносимые модовые искажения.

В устройстве оптических коммутаторов используется много различных физических принципов. Исторически первые электро­механические коммутаторы (например, с поворачивающимися зеркалами или призмами) позволяют относительно просто комму­тировать большое число каналов (до 8x8 и более), однако быст­родействие их очень мало (около с). Кроме того, они гро­моздки и не выдерживают всего комплекса эксплуатационных воздействий (в частности, ударов и вибраций). Значительно более совершенны коммутаторы, использующие электро-,, магнито-, акус-тооптические эффекты, особенно при изготовлении этих устройств в интегрально-оптическом исполнении. Субнаносекундные скоро­сти переключения, вносимые потери на уровне 3... 6 дБ, подавле­ние перекрестных помех более чем на 50 дБ, микроваттный режим управления — все это представляется достижимым для интеграль­но-оптических коммутаторов. При этом одной из важнейших и сложных проблем остается оптимальная стыковка этих устройств с цилиндрическими волокнами. Кроме того, интегрально-оптиче­ские коммутаторы удобны лишь при сопряжении небольшого (до 10) числа каналов.

Кардинальное решение проблемы коммутации большого числа каналов () связано с созданием голографических дифракционных решеток в оптических реверсивных средах (рис. 9.12,в). При изготовлении отклоняющей пластины, например из оксида висмута-кремния (В80), можно записывать и стирать голографические дифракционные решетки в реальном масштабе времени. Изменением пространственной частоты дифракционной решетки можно получать различные отклонения луча света в двух взаимно перпендикулярных направлениях и осуществлять тем самым коммутацию каналов. Дополнительное достоинство В80-кристаллов — наличие внутренней памяти: наведен­ная решетка сохраняется и после прекращения записывающего воздействия. Кроме рассмотренных трех основных групп пассив­ных элементов ВОЛС имеется много других. Оптические аттеню­аторы, фильтры, линии задержки, смесители мод, оптические мультиплексоры, светоделители оказываются очень полезными, а часто и необходимыми при создании разветвленных волоконно-оптических сетей передачи.

Новыми и достаточно специфическими являются элементы вво­да-вывода излучения. Они выполняют функцию оптического согла­сования угловых апертур активных элементов (в первую очередь излучателя) и волокна. Оптимизация ввода излучения в волокно (рис. 9.15) может дать выигрыш по мощности до 10 дБ.

Объединение элементов в систему. Волоконно-оптическая связь с момента своего появления основывается на принципах передачи цифровой информации. Это обусловлено тремя основными причинами.

Во-первых, появление ВОЛС совпало со временем,, когда преимущества цифровых методов обработки и передачи информа­ции перед аналоговыми стали очевидными; при этом зарождаю­щееся направление не было связано какими-то старыми традицион­ными решениями. Во-вторых, широкопол осность ВОЛС сразу удовлетворяла требованиям цифровой связи. В-третьих, оптоэлектронный канал лазер — волокно — фотодиод не обладает необхо­димой линейностью передаточной характеристики и линеаризация ее очень сложна.

При передаче аналоговой информации (а исходная, первичная информация чаще всего имеет аналоговую форму) она перед по­ступлением в ВОЛС проходит ряд преобразований: дискретизацию (стробирование), кодирование (аналого-цифровое преобразование) и мультиплексирование (уплотнение отдельных информационных каналов).

Код передачи (или код системы связи) характеризует такие специфические отметки в передаваемой двоичной информации, ко­торые в приемнике позволяют установить их однозначное соответ­ствие цифровому сигналу, возбуждающему передатчик. Известно много вариантов кодирования; при выборе оптимального кода ру­ководствуются такими соображениями, как простота кодирующего устройства, узкая полоса рабочих частот (это упрощает схему при­емника и уменьшает эквивалентный входной шум), возможность одновременно с сообщением передавать и синхросигналы, исклю­чение случайных ошибок передачи и т. п.

Широко распространенными являются (рис. 9.16) код «без воз­врата к нулю» (БВН или в английском написании) и двух­фазный код типа (или «Манчестер-П»). Для подавляющего боль­шинства случаев простейший код БВН удовлетворяет всем требованиям передачи данных.

Рис. 9.16. Кодирование:а — передаваемая информация; б — такто­вые (синхро-) сигналы; в — код «без воз­врата к нулю»; г — код «Манчестер-П»

Рис. 9.17. Связь минимально допусти-

а — передаваемая информация; б — такто- мой мощности на входе приемного

вые (синхро-) сигналы; в — код «без воз- модуля и скорости передачи дискрет-

/ — фотодиод и полевые транзисто-

ры; 2 — -фотодиод и биполярные тран-

зисторы; 3 — ЛФД и полевые транзисторы;.

4 — ЛФД н биполярные транзисторы

Поскольку он не требует операций ко­дирования и декодирования и эффективно использует полосу ча­стот канала связи, характеристики кода задают некоторый стан­дарт, относительно которого оцениваются показатели других кодов. В БВН-коде поток данных отображается серией уровней напря­жений, постоянных на интервале каждого передаваемого разряда. В манчестерском коде, напротив, каждый двоичный разряд соот­ветствует переходу уровней, причем направление перехода опреде­ляет значение двоичной переменной (лог. 1 —- переход «вниа»-,. лог. О — переход «вверх»), В БВН-коде длинная последователь­ность единиц (или нулей) образует постоянный уровень, поэтому спектр БВН-сигнала занимает полосу от постоянной составляющей до половины тактовой частоты; манчестерский код занимает поло­су от половины до полного значения тактовой частоты (поэтому приемник может быть узкополосным). Другими достоинствами манчестерского кода являются свойство самосинхронизации (пере­дача тактового сигнала одновременно с сообщением), простота об­наружения ошибок, сбалансированность по постоянной составляю­щей. Эти особенности кода «Манчестер-П» проявляются с наи­большим эффектом при мультиплексировании нескольких каналов передачи информации в одном световоде; для одноканальной связи вполне достаточным (и оптимальным) является БВН-код.

Ошибки па приемном конце (восприятие лог. 1 вместо лог. О или наоборот) возникают из-за искажения сигнала при прохожде­нии по тракту (затухание, дисперсия, шумы). Мерой качества пе­редачи сигнала является вероятность ошибки У, приемлемый уро­вень этого параметра , т. е. не более одного сбоя на бит информации. Дальнейшее повышение надежности передачи обес­печивается не аппаратурными, а логическими методами защиты; Если шумовой ток на входе приемника есть случайная гауссовская переменная, то его колебания подчиняются распределению Пуассона и нетрудно получить

где — ток фотоприемника, обусловленный оптическим сигналом. Из (У.21) следует, что обеспечивается при

При расчете системы учитывается последовательное ослабление сигнала во всех элементах ВОЛС:

где в правой части приведены потери сигнала в излучателе, при вводе в волокно, в тракте [ из (9.20)], в оптических соединителях, при выводе и в фотоприемнике. При наличии кроме соединителей'других коммутационных элементов их потери про­пускания также вводятся в правую часть (9.22). Из-за неопреде­ленности ряда членов правой части (в частности, практически не­возможно оценить значения в (9.20)) недопустимо работать на уровне ; реально должен быть обеспечен запас энергетического потенциала линии.

' Расчет по (9.22) справедлив лишь для статического низкоча­стотного режима работы; с ростом скорости передачи информации необходимая минимальная мощность бессбойно передаваемого сиг­нала растет (рис. 9.17).

Приведенные соображения касаются простейшей линии связи, соединяющей две точки. Конфигурации сетей связи сложнее; наи­более типичны соединения типа «шина», «кольцо», «звезда» (рис. 9.18). В этих случаях расчет соответственно усложняется.

Все созданные ВОЛС используют приемники прямого детекти­рования, которые не являются оптимальными. С 1980 г. начались исследования по перенесению принципа гетеродинного приема в область оптических частот. Структурная схема гетеродинного фо­топриемника (рис. 9.19) содержит такие дополнительные элементы, как опорный лазер, оптический смеситель в виде полупрозрачного зеркала, полосовой фильтр с комплексным коэффициентом пере­дачи настроенным на частоту биений

Гетеродинный фотоприем имеет ряд принципиальных преиму­ществ перед прямым детектированием. Во-первых, улучшается от­ношение сигнал-шум, поскольку при достаточной мощности гете­родина уровень приема ограничивается только дробовыми шумами принимаемого сигнала. Во-вторых, становится возможным приме­нение таких помехоустойчивых видов модуляции, как частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ), тогда как при прямом детектировании ж>

Рис. 9.19. Блок-схема оптического супергетеродинного приемника:

=Ф- — оптический сигнал; —* — электрический сигнал пользуется лишь амплитудная модуляция. Оба обстоятельства ве­дут к повышению избирательности и чувствительности; в ряде слу­чаев выигрыш может достигать 10 дБ. Поэтому может быть либо увеличена длина межретрансляционного участка, либо повышена скорость передачи информации.

Важным достоинством гетеродинирования является также воз­можность переноса операции разделения каналов передачи много­канальной системы связи в радиочастотный диапазон, где она осу­ществляется более простыми и отработанными средствами, чем в оптическом диапазоне.

Однако оптическое гетеродинирование требует преодоления

значительных технических трудностей. Прежде всего резко повы­шаются требования к когерентности и стабильности (долговремен­ной и кратковременной) используемых в передатчике и гетеродине лазеров. Становится обязательным применение внутреннего или внешнего резонатора, обеспечивающего избирательность мод, вве­дение термостатирования и широкополосных устройств стабилиза­ции несущей частоты. В приемнике появляется новый диапазон промежуточных частот, в котором и осуществляется основная об­работка принятого сигнала.

Гетеродинирование, дающее существенное повышение качест­венных показателей ВОЛС, требует создания новой элементной базы.

Дата добавления: 2017-01-14