Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)

В современных системах связи все больше требуются скоростные широкополосные каналы связи для передачи информации. Отвечать растущим объемам передаваемой информации можно, используя оптическое волокно.

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния.

Волоконная оптика обеспечила себе гарантийное развитие в настоящем и будущем.

В межрегиональном масштабе следует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной цифровой иерархии (SDH).

Экономические аспекты оптического волокна также говорят в его пользу. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому не дорогого материала в отличии от меди. Стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. По всему миру в настоящее время поставщики услуг связи за год прокладывают десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей. Ведутся интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий такими крупнейшими компаниями как Lucent Technologies, Norton, Siemens, IBM, Corning, Alcoa Fujikura .

Крупным производителем оптических соединителей в России является фирма « Перспективные Технологии ». Основными поставщиками оптических шнуров в России являются фирмы «Вимком-Оптик», «Телеком Комплекс Сервис». Многие потребители оптических шнуров имеют собственную сборку (РОТЕК, ЭЛОКОМ).

В процессе эксплуатации ВОСПИ можно отметить ряд их достоинств:

· Высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий, которая решает проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

· Широкая полоса пропускания. Обуславливается высокой несущей частотой (возможность передачи по одному оптическому волокну информации в несколько терабит).

· Малое затухание светового сигнала в волокне. В настоящее время промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2 – 0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

· Низкий уровень шумов.

· Малый вес и объем

· Высокая защищенность от несанкционированного доступа (трудно подслушать информацию, не нарушая приема-передачи).

· Длительный срок эксплуатации. Процесс деградации волокна значительно замедлен и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.

Волоконно-оптические сети имеют, конечно и недостатки:

· Высокая стоимость интерфейсного оборудования. Также требуется высоконадежное коммутационное оборудование, оптические соединители, разветвители, аттенюаторы.

· Дорогостоящий монтаж и обслуживание оптических линий.

· Требуется специальная защита волокна.

1. Волоконно-оптические системы передачи информации. (ВОСПИ)

1.1.1. Принципы построения ВОСПИ.

Оптические волокна производятся разными способами, они обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют различные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF и одномодовые SMF.

Наиболее очевидным путем увеличения информационной емкости волоконно-оптических систем связи является расширение спектральной области для передачи информации. Практически все современные системы связи работают в диапазонах длин волн λ=1,3мкм и λ=1,55мкм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную емкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. С учетом дальнейшего прогресса волоконно-оптических технологий можно предположить,что используя только спектральный интервал 1,2-1,7мкм, в будущем можно будет передавать по одному волокну информацию со скоростью в 1000 тбит/с. Для реализации таких систем связи потребуются новые исследования и разработка новой элементной базы.

Информация, которая должна быть передана в виде электрического сигнала, модулирует световой поток, который передается по волоконным световодам или через атмосферу.

Шумовой характер излучения источников света, как правило, ограничивает применяемые виды модуляции излучателей и в практически используемых системах, находят место модуляции по интенсивности излучения. На приемном конце переданная информация демодулируется. Основным элементом построения ВОСПИ соответствует структурной схеме, приведенной на рис.1.1.

Рис. 1.1

1. Источник сигнала

2. Усилитель модулятор

3. Лазерный излучатель

4. ВОК (волоконно-оптический кабель)

5. Фотодиод

6. Усилитель

Передающие оптические модули:

Передающие оптические модули РОМ-3155 выпускаются на основе импортных MQW InGaAsP/InP Фабри Перо лазерных диодов, интегрированных со схемой управления с дифференциальным PECL - входом. Модули имеют TTL – вход включения лазерного излучения и выход аварийного состояния лазерного диода (открытый коллектор). Предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2..155 Мбит/с. Технические характеристики приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. технические характеристики.

^* - тип разъема может быть изменен по согласованию с заказчиком.

При передаче на большие расстояния, когда отношение сигнал/шум на выходе приемника становится недостаточным, в тракт включают ретрансляторы. Для передачи сигнала обычно используют световые импульсы. При этом применяют два вида модуляции: аналоговые, при которой информация передается изменением амплитуды, ширины или положения импульсов; и цифровая – с кодированием информации комбинацией группы импульсов.

В данном дипломном проекте разрабатывается ФПУ для

ВОСПИ, использующую аналоговую модуляцию. При аналоговой передаче, информационный сигнал модулирует поднесущую частоту, как правило, СВЧ диапазона, которая в

свою очередь управляет мощностью излучателя. Прием во всех случаях осуществляется с помощью фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, преобразующих энергию колебаний оптического диапазона в электрическую энергию. Электрический сигнал усиливается до необходимого уровня усилителем низкой частоты.

При разработке радиооптических преобразователей, используемых в аналоговых ВОСПИ, являющихся оптическими линиями связи между аналоговым фотоусилителем (АФУ) и входом приемника ДЦВ диапазона, необходимо выполнить два основных требования:

1. При введении оптической линии между АФУ и приемником, электрическая пороговая чувствительность всей системы не должна ухудшаться, то есть отношение сигнал/шум должно оставаться прежним.

2. Динамический диапазон изменения передаваемого полезного радиосигнала не должно быть меньше 60 дБ. для КВ диапазона и не меньше 40-45 дБ. для ДЦВ диапазона.

Для удовлетворения этих требований всей ВОСПИ необходимо обеспечить их выполнение каждым элементом ВОСПИ: УМ, лазерным излучателем, ВОК, ФПУ.

В аналоговой ВОСПИ между АФУ и радиоприемником используются два радиооптических преобразователя: передающий радиооптический преобразователь, расположенный непосредственно в АФУ и выполняющий прямое радиооптическое преобразование сигнала, приемный радиооптический преобразователь, находящийся на приемном конце ВОСПИ перед входом радиоприемника и осуществляющий обратные преобразования оптического сигнала в радиосигнал.

В качестве прямого радиооптического преобразователя выступает усилитель-модулятор, возбуждаемый от радиосигнала с АФУ и модулирующий этим усиленным радиосигналом ток лазерного излучателя.

Лазерные модули для ВОЛС:

Лазерные модули с оптическим волокном изготавливаются на основе импортных MQW InGaAsP/InP Фабри Перо лазерных диодов. выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в

корпусе DIL – 14 со встроенном элементом Пельтье и в корпусе типа “оптическая розетка”. Технические характеристики приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Технические характеристики.

^* - тип разъема может быть изменен по согласованию с заказчиком.

LFO-xx-ip – 4-pin неохлаждаемый

LFO-xx-ir – “оптическая розетка

LFO-xx-i – DIL-14 с элементом Пельтье

Радиооптический преобразователь, осуществляющий обратное преобразование оптического сигнала в радиосигнал, состоит из фотодиода и усилителя, то есть представляет из себя Фотоприемное устройство (ФПУ).

Фотоприемные модули для ВОЛС:

Фотоприемные модули серий PD-1375-ip/ir для спектрального диапазона 1100..1650 нм. изготавливаются на основе импортных InGaAs PIN – фотодиодов. Выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в корпусе типа “оптическая розетка” для стыковки с одномодовым волокном, оконцованным разъемом “FC/PC”.

Описание, оптические и электрические характеристики фотоприемного модуля PD-1375-ir приведены в конце этого пункта в таблице 1.3., а на рисунке 1.2. приведены схемы электрических соединений.