Источники и детекторы светового излучения

Общие характеристики оптической передающей системы определяются не только световодами, но и источником, и приемником света, соединительными элементами и контактами. В качестве источника све­та обычно используют светодиоды и лазерные диоды, Эти приборы имеют небольшие размеры, и их можно легко подсоединить к световодам.

1. Основой светодиода является рn-переход. Если он включен в прямом направлении, то электроны из n-области и дырки из р-области попадают в переход­ную зону, где они рекомбинируют. При этом испу­скаются кванты света. Светодиод обладает очень важным преимуществом: скорость рекомбинации, а значит, и число возникающих квантов света пропор­циональны количеству пар носителей заряда, попа­дающих в активную зону, а, следовательно, прямо пропорциональны току через диод. Таким образом, испускание света можно легко модулировать с по­мощью тока, текущего через диод. На рис. 10 схе­матически показана зависимость мощности светового излучения от тока для светодиода. Вид такой харак­теристики зависит от температуры [5.4]. Поэтому в оптических передающих системах, где источником света служит светодиод, необходимо хорошо стабили­зировать температуру.

Длина волны испускаемого света зависит от рас­стояния между валентной зоной и зоной проводимо­сти светодиода. Энергии электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне могут различаться, поэтому длина волны излучения определена не очень точно. Спектральная полуширина линии составляет для светодиодов в области l= 800 – 900 нм примерно l=40–60 нм. Светодиоды обычно изготовляют из арсенида галлия (GaAs) или арсенида галлия-алю­миния (GaAlAs). В интервале длин волн около 1,3 и 1,55 мкм используют соединение GaInAsP: нужная длина волны достигается изменением состава этого материала.

Поскольку процессы рекомбинации происходят самопроизвольно, излучение светодиода является не­когерентным. Яркость излучения почти не зависит от направления, и светодиод близок по свойствам к из­лучателю Ламберта. Время нарастания импульса света ограничено временем жиз­ни носителей заряда в активной зоне (обычно от 1 до 10 нс), и поэтому часто­ты модуляции светодиодов не превышают 50 – 100 МГц (и лишь в отдельных слу­чаях достигают 1 ГГц [5,4]).

Рис. 10

2. Расширить область частот модуляции до гигагерц позволяют лазерные диоды. Они изготовляются из тех же материалов, что и светодиоды, но имеют существенное отличие: плоские поверхности диодного кристалла, расположенные перпендикулярно его активной зоне, служат в качестве плоскопараллельных зеркал, образующих оптический резонатор (резона­тор Фабри–Перо). Активная зона таких диодов вы­полняется очень тонкой, и поэтому, как и в светодиодах, в ней могут существовать только некоторые моды с определенной частотой. В излучении этих мод со­средоточивается большая энергия. При инверсии на­селенности вынужденное излучение преобладает над поглощением, и кванты света испускаются с опреде­ленной фазой: активная зона служит усилителем све­та. Когда усиление света становится настолько боль­шим, что оно компенсирует потери света в резона­торе, прибор переходит в лазерный режим генерации. Через полупрозрачное зеркало испускается когерент­ное излучение с определенными параметрами. На рис. 5.21 показана типичная P/I-характеристика ла­зерного диода. Ниже порогового значения тока I_s мощность света на выходе лазерного диода мала, а само излучение некогерентно. Выше I_s мощность рас­тет прямо пропорционально току через диод. Мощ­ность излучения у лазерного диода зависит от темпе­ратуры существенно сильнее, чем у светодиода, по­скольку к температурной зависимости наклона харак­теристики добавляется еще и сильная температурная зависимость порогового тока I_s (Т).

В общем случае спектр лазерного излучения со­стоит из нескольких узких эмиссионных линий, кото­рые соответствуют различным частотам мод, усили­ваемых в резонаторе. Очень узкое пространственное распределение излучения и пониженный эффективный коэффициент преломления приводят к тому, что при подключении лазерного диода к световоду в нем возбуждается только продольная мода излучения. При спектральной ширине линии менее 6,01 нм можно пренебречь дисперсией, которая определяется свой­ствами материала.

В качестве детекторов светового излучения, под­ключаемых к противоположному концу световода, в основном используют полупроводниковые фотодиоды. За счет внутреннего фотоэффекта оптический сигнал преобразуется в них в электрический. Используют простые рn-диоды, pin-диоды и лавинные фотодиоды. Устройство этих приборов подробно обсуждается в разд. 7.5.2. Частотная характеристика определяется не только диффузионными процессами и временами жизни носителей заряда в диодах, но и характеристи­ками внешнего нагрузочного контура. Верхние гра­ничные частоты лежат в области нескольких гига­герц, причем широко доступны диоды с предельной частотой около 7 ГГц.

4. Передача данных на физическом уровне.

4.1 Спектр модулированного сигнала.

Спектр результирующего модулированного сигнала зависит от типа модуляции и скорости модуляции, то есть желаемой скорости передачи бит исходной информации.

Рассмотрим сначала спектр сигнала при потенциальном кодировании. Пусть логическая единица кодируется положительным потенциалом, а логический ноль – отрицательным потенциалом такой же величины. Для упрощения вычислений предположим, что передается информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей, как это и показано на рис. 10 в 3-ем разделе. Заметим, что в данном случае величины бод и бит в секунду совпадают.

Для потенциального кодирования спектр непосредственно получается из формул Фурье для периодической функции. Если дискретные данные передаются с битовой скоростью N бит/с, то спектр состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами f₀, 3f₀, 5f₀, 7f₀,..., где f₀ – несущая частота. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно – с коэффициентами 1/3,1/5, 1/7,... от амплитуды гармоники f₀ (рис. 1). В результате спектр потенциального кода требует для качественной передачи широкую полосу пропускания. Кроме того, нужно учесть, что реально спектр сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какие данные передаются по линии связи. Например, передача длинной последовательности нулей или единиц сдвигает спектр в сторону низких частот, а, в крайнем случае, когда передаваемые данные состоят только из единиц (или только из нулей), спектр состоит из гармоники нулевой частоты. При передаче чередующихся единиц и нулей постоянная составляющая отсутствует. Поэтому спектр результирующего сигнала потенциального кода при передаче произвольных данных занимает полосу от некоторой величины, близкой к 0 Гц, до, примерно 7f₀ (гармониками с частотами выше 7f₀ можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал). Для канала тональной частоты верхняя граница при потенциальном кодировании достигается для скорости передачи данных в 971 бит/c, а нижняя неприемлема для любых скоростей, так как полоса пропускания канала начинается с 300 Гц. В результате потенциальные коды на каналах тональной частоты никогда не используются.

Рис. 1. Спектры сигналов при потенциальном кодировании и амплитудной модуляции.

При амплитудной модуляции спектр состоит из синусоиды несущей частоты fc и двух боковых гармоник: (fc+fm) и (fc-fm), где fm — частота изменения информа­ционного параметра синусоиды, которая совпадает со скоростью передачи данных при использовании двух уровней амплитуды (рис. 1, б). Частота fm определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2fm), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2fm. Для канала тональной частоты такой способ модуляции приемлем при скорости передачи данных не больше 3100/2=1550 бит/с. Если же для представления данных используются 4 уровня амплитуды, то пропускная спо­собность канала повышается до 3100 бит/с.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более слож­ным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образует­ся более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по каналу тональной частоты.

Для повышения скорости передачи данных используют комбинированные ме­тоды модуляции. Наиболее распространенными являются методы квадратурной амплитудной модулями (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы осно­ваны на сочетании фазовой модуляции с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудной модуляции с 4 уровнями амплитуды. Однако из возможных 32 комбинации сигнала используются далеко не все. Например, в кодах Треллиса допустимы всего 6, 7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием иска­жений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

4.2 Цифровое кодирование.

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей исполь­зуется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие закон­ченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.

Дата добавления: 2014-01-06