Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы

1. Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы

Бакалавриат

2.

Принцип организации волоконно-оптической связи
1. Обобщенная схема ЦМТС. КОО, ОС, ОЛТ. Назначение. Алгоритмы преобразований.
2. Иерархия цифровых систем передачи PDH, SDH.
3. PDH – достоинства, недостатки необходимость создания SDH. Принципиальные отличия SDH от
PDH.
4. Цели и задачи разработки SDH. Основные понятия. Структура цикла SDH.
5. Уровневая модель сети SDH.
6. Структура кадра STM-1.
7. Многоуровневая модель SDH.
8. Формирование STM N –го порядка.
9. Схема мультиплексирования SONET/SDH. Виртуальный контейнер "VC", Нагрузочный блок
"TU", Группа нагрузочных блоков "TUG", Административный блок " AU ", Группа
административных блоков "AUG",
10.

3. Принцип организации волоконно-оптической связи

А
1
2
N
КОО
ОС
ОВ
ОПер
Б
ОВ
ОР
Промежуточная
станция
ОПр
ОС
КОО
1
2
N

4. Мировые системы PDH

USA
Japan
5.
4.
3.
Europe
397200 кбит/с
x4
97728
кбит/с
x3
32064
кбит/с
2. порядок
x5
Первичная скорость
564992 кбит/с
274176 кбит/с
x7
x6
44736
кбит/с
6312
кбит/с
1544
кбит/с
x4
x3
x4
139264
кбит/с
34368
кбит/с
x4
x3
8448
кбит/с
x4
x 30/31
2048
кбит/с
x 24
64 кбит/с
x4

5.

Наличие в PDH потоках выравнивающих битов, делает
невозможным
прямое
извлечение
из
потока,
составляющих его компонентов. Так, чтобы извлечь из
потока 140 Мбит/сек (Е4) поток 2 Мбит/сек (Е1)
необходимо демультиплексировать Е4 на четыре потока
34Мбит/сек (Е3), затем один из Е3 на четыре потока 8
Мбит/сек (Е2), и только после этого можно вывести
требуемый Е1. А для организации ввода/вывода
требуется трехуровневое демультиплексирование, а
затем трехуровневое мультиплексирование (Рис.2).
Понятно, что использование систем PDH в сетях
передачи данных, требует большого количества
мультиплексоров, что значительно удорожает сеть и
усложняет ее эксплуатацию.

6. Операция ввода/вывода потока в PDH

7.

Тсц=2 мс fсц=500 Гц
125
мкс
Ц0
Ц1
КИ0 КИ1
Р1
Р2
Р3
Р4
Ц2
Ц3
Ц4
Ц5
Ц6
КИ2
...
...
...
КИ14
Р5
Р6
Р7
Ц7
Ц8
КИ15 КИ16
Р8
Четные циклы - сигнал цикловой
синхронизации
Д
Ц9
Ц10
Ц11
Ц12
Ц13
Ц14
КИ17
...
...
...
КИ29
КИ30 КИ31
Р1
Р2
Р3
Р4
Р5
Р6
Р7
Р8
Нулевой цикл - сигнал
сверхцикловой
синхронизации
1
ОЗ
0
1
СУВ
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
Ц15
0
1
Циклы с 1 по 15
Нечетные циклы
Д
1
А
Х
Х
З
Х
Х
Р1
Р2
Р3
и
Р4
Тц
32
Р5
СУВ
СУВ
Р6
Р7
3,9 мкс
0
Р8
1
СУВ

8.

К
недостаткам PDH следует, также,
отнести слабые возможности в
организации служебных каналов
для целей контроля и управления
потоком в сети и полное отсутствие
средств маршрутизации низовых
мультиплексированных
потоков,
что
крайне
важно
для
использования в сетях передачи
данных.

9. Цели и задачи разработки SDH. Основные понятия.

Желание преодолеть указанные недостатки PDH привели к
разработке в США иерархии синхронной оптической сети (SONET),
а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии (SDH),
предложенными для использования на волоконно-оптических
линиях связи.
Целью разработки, в обоих случаях, было создание иерархии,
которая позволила бы:
вводить/выводить исходные потоки без необходимости
производить сборку разборку;
разработать структуру кадров, позволяющую осуществлять
развитую маршрутизацию и управление сетями с произвольной
топологией;
загружать и переносить в кадрах новой иерархии кадры PDH
иерархии и других типов трафика (АТМ, IP);
разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки
оборудования.

10. Мировые системы SDH

64kбит/с
2Мбит/с
34Мбит/с
140Мбит/с
STM-1 155 Мбит/с
STM-4 622 Мбит/с
STM-16 2.5 Гбит/с
STM-64 10Гбит/с
STM-256 40 Гбит/с

11.

Структура синхронной сети
140Мбит/с
2Мбит/с
TM
STM-1
ADM
2Мбит/
34Мбит/с
с
ADM
ATM
SwitchSTM-1
STM-1, STM-4
STM-4/-16 ADM 140Мбит/с
34Мбит/с
8Мбит/с
2Мбит/с
DXC
LAN
DSC
2Мбит/с
STM-1 / STS-3c шлюз к SONET
34Мбит/с
ADM : Add Drop Multiplexer
DXC : Цифровой кросс-коннект 140Мбит/с
STM-1
TM : Terminal Multiplexer
DSC: Центр цифровой коммутации STM-4
LAN: Локальная вычислительная

12.

Структура цикла STM-1
270 столбцов (байтов
9
1
1
270
Передача
по строкам
RSOH
3
4
5
AU Pointer
Payload
(транспортная ёмкость)
MSOH
9
RSOH: Заголовок регенерационной секции
MSOH: Заголовок мультиплексорной секции
Payload: Пространство для информации
Транспортная ёмкость для одного байта: 64 кбит/с
Ёмкость цикла: 270 x 9 x 8 x 8000 = 155.520 Мбит/с
Период повторения цикла: 125 µs

13.

14.

Структура кадра STM-1
Полезной нагрузкой для SDH являются групповые цифровые потоки
образованные любой ступенью PDH от Е1 (2,048 Мбит/с) до Е4 (139,264
Мбит/с). Для синхронизации всех входных потоков в структуре
технологии SDH периодически на определённых позициях в кадре
размещается служебная информация (секционный заголовок – SOH
(Section Overhead), который используется для контроля и управления
сетью SDH, а так же для организации размещения полезной нагрузки) и
байты фиксированной вставки (стаффинг). Поэтому цифровой поток
первичного синхронного транспортного модуля – STM-1 можно условно
разделить на 9 интервалов по 270 байт в каждом . Первые 9 байт каждого
интервала несут сигналы управления и контроля, а в оставшиеся 261
байт размещается соответствующим образом полезная нагрузка и
стаффинг.

15.

Обозначение контейнера
Передаваемый поток, кбит/с
С-11
T1 – 1 544
С-12
E1 – 2 048
С-21
T2 – 6 312
С-22
E2 – 8 448
T3 – 44 736
С-3
С-4
E3 – 34 368
E4 – 139 264

16. Многоуровневая модель SDH

17.

Самый низкий — физический уровень, представляющий
передающую среду.
Секционный уровень отвечает за сборку синхронных модулей
STM-N и траспортировку их между элементами сети. Он
подразделяется на регенераторную и мультиплексорную секции.
Маршрутный
уровень
отвечает
за
доставку
сигналов,
предоставляемых сетью для конечного пользователя (PDH, ATM и
др.), и упакованных в полезной нагрузке STM-N. Согласно
терминологии SDH, эти сигналы называют компонентными или
трибутарными сигналами, а предоставляемые пользователю
интерфейсы доступа к сети — трибутарными интерфейсами.
Передача сигнальной информации для каждого уровня в SDH
осуществляется при помощи механизма заголовков. Каждый STMN кадр имеет секционный заголовок SOH (Section OverHead),
состоящий из двух частей: заголовка регенераторной секции RSOH
(Regenerator Section OverHead) и мультиплексорной секции MSOH
(Multiplex Section OverHead).

18.

Для упаковки и транспортировки в STM-N
трибутарных
сигналов
предложена
технология виртуальных контейнеров.
Виртуальный контейнер состоит из поля
полезной нагрузки — контейнера, на
которое
отображается
трибутарный
сигнал, и маршрутного заголовка POH
(Path OverHead), который указывает тип
контейнера
и
служит
для
сбора
статистики о прохождении контейнера по
сети.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25. Схема мультиплексирования SONET/SDH

26.

Виртуальный контейнер "VC"
К каждому контейнеру С добавляется трактовый заголовок POH (Path
OverHead). Эта совокупность называется виртуальным контейнером VC
(Virtual Container) и передается через сеть как неизменяемая единица.
В POH содержится служебная информация, позволяющая отслеживать
надежность транспортировки контейнера через сеть от источника к
получателю. POH добавляется в начале тракта при формировании VC и
устраняется в конце тракта при расформировании контейнера. Кроме того, в
POH содержится служебная информация для целей контроля и управления
сетью.
В зависимости от размера виртуальный контейнер может транспортироваться
в модуле STM-1 в одиночку или может быть объединен в больший VC, который
затем непосредственно транспортируется в STM-1.
Различают виртуальные контейнеры высшего уровня HO (high-order) и
низшего уровня LO (low-order). Все контейнеры, передаваемые в составе одного
“большого” контейнера относятся к нижнему уровню LO. Контейнерами
уровня LO являются VC-11, VC-12 и VC-2. VC-3 относят к уровню LO, если этот
контейнер передается в составе VC-4.
Контейнеры, непосредственно переносимые в модуле STM-1, относятся к
уровню HO. VC-4 – контейнер уровня HO. То же относится и к VC-3, если он
передается непосредственно.

27.

Нагрузочный блок "TU"
За исключением VC-4 все VC могут быть объединены в большие VC и
транспортироваться в STM-1. “Меньшие” VC могут плавать по фазе
внутри “больших” (высшего уровня) VC. Для отражения фазовых
соотношений между двумя VC используются указатели, помещаемые в
фиксированном месте VC высшего уровня. Нагрузочным блоком TU
(Tributary Unit) называется информационная структура, используемая
для описания составляющей контейнера высшего уровня HO, внутри
которой может плавать VC низшего уровня LO, и соответствующие
указатели (TU pointer). Стандартизированы нагрузочные блоки TU11, TU-12, TU-2, TU-3.
Группа нагрузочных блоков "TUG"
Перед объединением в контейнер высшего уровня несколько TU
побайтно объединяются в одну группу. Такая группа называется
группой нагрузочных блоков TUG (Tributary unit group). Определены
TUG-2 и TUG-3.

28.

Административный блок " AU "
Виртуальные контейнеры высшего уровня VC-4 и VC-3 транспортируются
непосредственно в STM-1.
В этом случае указатели (блок AU_PTR) в составе STM-1 отражают фазовые
соотношения между модулем и соответствующим виртуальным контейнером.
Та часть модуля STM-1, в пределах которой может “плавать” VC, называется
административной группой AU (Administrative Unit). Соответствующий
указатель, называемый указателем AU (AU_PTR), рассматривается как часть
AU. Трехбайтные указатели AU помещаются в первые 9 байт четвертой строки
модуля STM-1.
Различают AU-4 и AU-3. В модуле STM-1 можно передавать один AU-4 или три
AU-3. Передача VC-3 возможна непосредственно (AU-3) в STM-1 или через AU4. Во втором случае три VC-3 должны быть объединены в один VC-4 (см. рис.
1.7).
Группа административных блоков "AUG"
Несколько AU могут быть побайтно объединены в одну группу AU
(AUG – AU group). AUG представляет собой информационную
структуру, соответствующую STM-1 без SOH. AUG может состоять из
одного AU-4 или трех AU-3.

29.

30. Оборудование сопряжения

Линейные коды
ЦМТС

31.

1. Оборудование сопряжения. Назначение. Понятие о станционных и
линейных кодах.
2. Требования к линейным кодам ЦМТС. Блочные коды. Алгоритмы
преобразования станционных кодов в линейные. Примеры.

32. Требования к линейным кодам ОЦТКС

- спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как
сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем. меньше
требуется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно
уменьшаются мощность шума н его влияние. Ограничение спектра
сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограничение
снизу—флуктуации уровня принимаемого сигнала в электрической
части фотоприемника, имеющего цепи развязки по посто янному
току. Минимальное содержание низкочастотных составляющих
позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи
стабилизации выходной мощности оптического передатчика;
- код линейного сигнала должен обеспечивать возможность
выделения колебания тактовой частоты, необходимой для
нормальной работы тактовой синхронизации;
- код линейного сигнала должен обладать максимальной
помехоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих
равных условиях максимальную длину участка регенерации;
- код линейного сигнала должен обладать избыточностью, которая
позволяет по нарушениям правила образования кода судить о
возникновении ошибок;
- код линейного сигнала должен быть простым для практической
реализации преобразователей кода.

33. Линейные коды ВОСП

1
0 0
1
1
0 0
0
1
1
1 0
а
t NRZ
б
t RZ
в
t BIF
г
t 2B3B
д
t CMI
е
t M
t

34. Нормированные спектры линейных кодов ВОСП

G
M
NRZ
0,8
CMI
BIF
0,4
RZ
0,4
0,8
1,2
1,6
f/f т

35. Оптический линейный тракт

36.

1. ОЛТ. Схема. Принцип передачи многоканального сигнала по
оптическому волокну.
2. Передающие оптические модули. Назначение. Схема. Принцип работы.
Выбор вида модуляции оптической несущей. Закон модуляции. Внешняя и
внутренняя модуляция.
3. Модуляция интенсивности оптического излучения. Схема. Принцип
работы.
4. Источники оптического излучения. Требования к источникам
оптического излучения. Механизмы оптического излучения.
5. Когерентные и некогерентные источники оптического излучения.
Спектры колебаний лазерного и светоизлучающего диодов.
6. Светоизлучающие диоды. СИД с поверхностным излучением.
Конструкция, принцип работы. Характеристики.
7. Гетероструктуры с ОГС и ДГС . Назначение. Конструкция. Область
применения.
8. Светоизлучающие диоды. СИД торцевого типа. Конструкция, принцип
работы. Характеристики.
9. Лазерные диоды. Конструкция. Принцип работы. Условия генерации.
Лазерный эффект. Спектр колебаний лазерного диода.
10. Лазеры с полосковой геометрией. Назначение. Конструкция. Принцип
работы

37.

11. Лазерный диод. Характеристики ЛД.
12. Одномодовые лазеры. Структура лазера РОС. Структура лазера РБО.
Принцип работы. Спектр излучения.

38. Передающие оптические модули

Оптические передатчики ВОСП реализуются в форме
единого передающего оптического модуля (ПОМ) электронно-оптического
преобразователя,
осуществляющего
преобразование
электрических
сигналов в оптические сигналы.

39. Частотное разделение каналов (СП-ЧРК).

0.3 – 3.4
М1
ПФ1
ПФ1
fн1
0.3 – 3.4
М2
fн1
ПФ2
Л. тракт
ПФ2
МN
0.3 – 3.4
ДМ2
fн2
0.3 – 3.4
0.3 – 3.4
ДМ1
fн2
ПФN
ПФN
ДМN
fнN
0.3 – 3.4
fнN
12.3 15.4 16.3 19.4 20.3 23.4
f

40.

fн1
1
fн2
.
2
.
fнN
N
SN(t) . .
0
0,3 3,4
FN
S1(t)
S2(t)
F2
F1

41. Передающие оптические модули

ОМ – оптический модулятор; ИОИ — источник оптического излучения;
ОР – оптический разветвитель; СОИ – стабилизатор режима работы
источника оптического излучения; ОС – линейный оптический сигнал;
СВД – схема встроенной диагностики; СУ и ОС – согласующее
устройство и оптический соединитель; ОВ – оптическое волокно. ФМС
— формирователь модулирующего сигнала;
СВД
Сигнал
отказа
СУ и ОС
ОР
ФМС
ОМ
ИОИ
СОИ
ОС
ОВ

42. Источники оптического излучения

Требования к источникам оптического излучения:
- длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон
прозрачности оптического волокна:
- достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность
его ввода в оптическое волокно;
- возможность модуляции оптического излучения различными способами;
достаточно
большой
срок
службы;
минимальное
потребление
электрической энергии или высокая эффективность;
- минимальные габариты и вес; простота технологии производства,
обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость
параметров и характеристик.
Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП:
планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические
источники (микролазеры).
Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше
требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники –
светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных
системах. (непосредственное преобразование энергии электрического
тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность
прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой
скоростью, малые масса и габаритные размеры.)

43. Механизмы оптического излучения

Спонтанное оптическое излучение возникает при
переходе любого электрона с одного энергетического уровня
на другой. Так как время перехода всех электронов не
совпадает, то происходит наложение излучения и возникают
оптические волны одинаковой амплитудой и фазой, а
вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте.
Кроме того, мельчайшие колебание энергии Eq тоже, пусть и
не в такой мере, влияют на частотный разброс излучения.
(некогерентный источник оптического излучения)
Индуцированное (вынужденное) излучение Суть
вынужденного излучения состоит в том, что если на
электрон, находящийся в зоне проводимости падает свет с
частотой f0, примерно равной частоте f, определяемой то
возникает излучение с частотой f0 и направлением
падающего света. (когерентный источник оптического
излучения)

44. Когерентные и некогерентные источники оптического излучения

Некогерентные источники оптического излучения
В полупроводниках плотность электронов значительна
и поэтому многочисленные энергетические уровни
расположены плотно, образуя зоны. Имеется два типа
таких зон – верхняя зона – проводимости с энергией Ес и
нижняя зона – валентных электронов с энергией Ev.
Между этими зонами находится запрещенная зона с
энергией Еq. При тепловом равновесии почти все
электроны находятся в валентной зоне.
Что происходит, если подвести энергию из вне?
Ес
Еq
Еv
Световое излучение
р - область
+
Спектр излучения
+
+
+
_
Р–nпереход
-
-
f0
n – область
f
E (t ) A a(t ) sin 2 ft (t ) ,
a(t) – колебания амплитуды (шумы амплитудной
модуляции); (t) – колебания частоты (шумы частотной
модуляции).
f
c
Eq
h

45. Когерентные источники оптического излучения

z
x
y
Резонатора Фабри – Перо
LL
E
Z
z

46. Спектр колебаний лазерного диода

47. Светоизлучающие диоды

48.

49. Светоизлучающие диоды.

Структура светоизлучающего диода с поверхностным излучением
Свет
1
1 - оптическое волокно;
2- склеивающий состав;
3- электрод.
2
3
n
p
GaAs
GaAs
p-n переход
SiO2
3
Выше обсуждались р-п - переходы, образованные введением небольшого
количества примесей в полупроводниковый материал. Они называются
гомопереходами.
.

50. Согласующие устройства светодиод - волокно

а)
б)
в)
а) - использование специального иммерсионного наполнителя с коэффициентом
преломления, близкий к коэффициенту преломления волокна;
б) - конец волокна заострен и закруглен в форме линзы, собирающей расходящееся
излучение;
в) - сферическая линза, расположенная на поверхности светодиода

51. Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б)

а P
d 0,3 мкм
P
d 2 мкм
б
0,1 мкм
0,1 мкм
1 мкм
n
GaAs
p
GaAs
Р
AlxGa1-xAs
0,1 мкм
y
N
AlxGa1-xAs
р
GaAs
Р
AlxGa1-xAs
y

52. Структура светоизлучающего диода торцевого типа

Электрод
N
GaAs
n
Al
Ga
y
As
1- y
P GaAs
p
Al
Ga
x
p
GaAs
Электрод
As
1- x

53. Характеристики СИД

54. Спектральное распределение СИД

55. Характеристики СИД

56. Лазерные диоды

p
n
Излучение
p-n переход
Зеркала

57. Спектр колебаний лазерного диода

58. Лазеры с полосковой геометрией

59. Характеристики ЛД

60. Диаграмма направленности

61. Спектр излучения лазера

62.

Структура лазера РБО
Структура лазера РОС
p
InGaAsP
p
InP
InGaAs
n
n
InP
p
InGaAsP
InGaAsP
InP
lp
InP
InP
n

63. Основные характеристики СИД, ПЛ(ЛД)

W0, мВт
W/W0
Светоизлучающий
диод
1
Светоизлучающий диод
0,5
Лазерный
диод
Лазерный
диод
Порог
I пор
Iв, мА
Ватт-амперная характеристика
Светоизлучающий
диод
0,0
0
Спектральная характеристик
Лазерный
диод
Диаграмма направленности источников оптического излучения

64. Приемные оптические модули

1. Приемный оптический модуль. Блок схема. Принцип работы.
2. Фотодетекторы. Структурная схема p-i-n-фотодиода. Принцип работы.
Характеристики: фототок, квантовая эффективность {квантовый выход} ,
токовая чувствительность, спектральная характеристика квантового
выхода – квантовой эффективности.
3. Лавинные фотодиоды (ЛФД). Структурная схема ЛФД-фотодиода.
Принцип работы. Лавинное усиление или лавинное умножение.
Характеристики.
4. Шумы фотодиодов. Дробовые шумы. Дробовые шумы. Тепловые шумы
(или шумы Джонсона-Найквиста).
5. Помехозащищенность. Расчет.

65. Приемные оптические модули

ОК
ОК — оптический кабель; ОС — оптический
соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор;
ПМШУ — предварительный малошумящий
усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с
автоматической регулировкой усиления; ФК —
фильтр-корректор.
ОС
ФД
ПМШУ
МУ с
АРУ
ФК
Выход

66. Фотодетекторы

Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор —
оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал
соответствующей формы.
Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с
обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта.
В технике ВОСП широкое применение находят два типа фотодиодов:
р-n
р-i-n и
лавинный ФД.
Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводнике заключается в
поглощении фототока, энергия которого hf = hс/ более ширины запрещенной
зоны материала Еg полупроводникового материала, а длина волны оптического
излучения не превышает критического значения кр=1,24/Eg , и сопровождается
переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок — из зоны
проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с
энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, или длиной волны больше
критической,
поглощаются и, следовательно, не происходит генерации пары
«электрон-дырка».
Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с
эффектом примесного поглощения.

67. Структурная схема p-i-n-фотодиода

Оптическое
излучение
мощностью W0
Обедненная зона
n+
Контакты
-
+
-
+
-
+
Обедненный слой
Есм
+
Контакты
p+
+
Rн
Выход
электрического
сигнала
-
Из сокращенных названий составляющих его слоев: р — positive (положительный), i
— intrinsic (внутренний), n — negative (отрицательный). Обедненный i слой такого
ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного
в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным
видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочкой проводимостью.

68.

.
Широкий i- cлой приводит к увеличению интенсив
ности поглощения фотонов в обедненном
слое. В результате чего падающие фотоны возбуждают ток
во внешней цепи более эффективно и с меньшим
запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной
зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к
р+ и n+ областям диода.
В результате поглощения кванта света с энергией hf в
нагрузке диода Rн протекает импульс тока. Если каждый
поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то
число носителей тока N, равное отношению мощности
оптического излучения W умноженное на величину носителя q,
определит средний ток Iф, протекающий через нагрузку Rн:
W
Iф q N q
h f

69.

Коэффициент,
характеризующий
эффективность
преобразования фотонов в электрический сигнал
ф
называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора.
Следовательно, средний фототок, протекающий через нагрузку
фотодетектора, будет равен:
Iф
W
ф q
h f
.
Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый
как отношение среднего значения фототока Iф к среднему значению
оптической мощности (А/Вт), называется токовой чувствительностью:
1 ф q
S
W
h f
.
Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем
выше, чем больше квантовый выход ф, т.е. чем больше доля светового
потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода.

70.

Токовая чувствительность зависит от длины волны
падающего
излучения.
Характер
этой
зависимости
определяется спектральной характеристикой квантового
выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более
или менее выраженным максимумом и определяется
материалом полупроводника
ф ,
Квантовый выход фотодиода однозначно связан с
токовой
чувствительностью
следующей
зависимостью:
%
Si
100
Ge
= 1,24S / , где — длина волны, мкм.
GeInAs
50
Спектральная характеристика квантового выхода –
квантовой эффективности
,
0
0,8
1,0
1,2
1,4
мкм
1,6
Конструктивно р-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально
уменьшить долю поглощения излучения вне i-слоя. С этой целью переход
формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная
времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через
обедненный слой в сильном электрическом поле.
.

71. Лавинные фотодиоды (ЛФД)

В фотодиодах р-i-n — типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к
образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации
тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем
использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре,
называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М
электронов.
Есм
n+ p+
i
Rн
p+
W0
Евх (х)
x
Для создания условий ударной
ионизации в структуре фотодиода
необходимо
создать
сильное
электрическое поле. Такое поле
создается добавлением в структуру
р-i-n фотодиода дополнительного nр — перехода, усиленное обратным
смещением,

72.

В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования
положительных и отрицательных ионов и свободных
электронов из электрически нейтральных молекул и атомов
полупроводника. При этом электроны в зоне проводимости
могут приобрести кинетическую энергию, большую, чем
ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из
валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне
проводимости вместо каждого «быстрого» электрона
появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном
электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают
повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной
ионизации возрастает с напряженностью электрического поля
(или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим,
что при некоторой напряженности поля ударная ионизация
приводит к резкому увеличению плотности тока, т.е. к
электрическому пробою полупроводника.

73. Лавинное усиление или лавинное умножение

При воздействии оптического излучения мощностью W на iслой образуются пары «электрон-дырка», называемые
первоначальными
носителями.
Затем
происходит
направленное движение носителей к соответствующим
полюсам батареи смещения. При попадании свободных
электронов из i- cлоя в р- слой их ускорение становится более
ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля
n+-р — перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя,
такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую
энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два
«медленных» электрона из валентной зоны в зону
проводимости. В результате появляются свободные носители,
называемые вторичными. В зоне проводимости р- cлоя
происходит их повторное ускорение до получения кинетической
энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который
снова порождает ударной ионизацией пару «медленных»
электронов из валентной зоны. Этот процесс называется
лавинным усилением или лавинным умножением.

74.

Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения
обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя
полупроводника, так чтобы на n+-р — переходе установилось очень
Сильное поле (с напряженностью не менее 10 В/см). Электроны
и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию,
необходимую для образования вторичных носителей путем ударной
ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из
валентной зоны в зону проводимости. Процесс лавинного умножения (усиления)
ЛФД оценивается коэффициентом умножения М, который приближенно может быть
представлен эмпирической формулой:
М
1
U см n
1 (
)
U пр
где Uсм — напряжение обратного смещения; Uпр — напряжения пробоя; величина n
= 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода.
Величина фототока через нагрузку Rн для ЛФД определяется по формуле
I ф 0,8 ф М W

75.

Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока
ЛФД
в М раз по сравнению с темновым током р-i-n — фотодиода.
При Uсм = Uпр происходит резкое увеличение
коэффициента М, которое может принимать высокие
значения. При низком напряжении Uсм ЛФД работает как рi-n-фотодиод без усиления (умножения). Существует
пороговое напряжение
UД, для получения лавинного
процесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет
генерировать ток без наличия возбуждающего оптического
излучения. Отметим, что коэффициент умножения сильно
зависит от температуры, что является серьезным
недостатком ЛФД.
Типовой компромисс между величиной умножения и
стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении
смещения, равном 0,95 Uпр.

76. Р-i-n- фотодиоды. Лавинные фотодиоды (ЛФД). Основные характеристики.

ф ,
%
Si
100
Ge
GeInAs
50
,
0
0,8
1,0
1,2
1,4
мкм
1,6
Спектральная характеристика квантового выхода – квантовой
эффективности

77. Шумы фотодиодов

1. Дробовые шумы
2. Темновые шумы
3. Тепловые шумы (или
шумы Джонсона-Найквиста)

78. Эквивалентная схема ФД

Rв
Iф=WS
Rд
Сд
Iфд
Rн
Uфд
Rд — дифференциальное сопротивление обратносмещенного перехода
фотодиода; обычно это сопротивление настолько велико, что его
шунтирующим действием можно пренебречь;
Rв — внутреннее сопротивление диода, состоящее из сопротивления
необедненной зоны диода, контактного сопротивления и общего
сопротивления, величина этого сопротивления не превышает
нескольких десятков Ом;
Cд — емкость обратносмещенного перехода, зависящая от его площади;
Rд — сопротивление нагрузки ФД

79.

Можно показать, что для эквивалентной
схемы ширина полосы пропускания или
предельная частота равна
,
здесь Rн - сопротивление нагрузки ФД (как
правило, входное сопротивление
предварительного малошумящего
усилителя фототока).

80.

.
В состав тока Iфд на выходе схемы входят:
фототок Iф, темновой ток Im, а также токи
шумов различного происхождения,
являющиеся естественным ограничением
чувствительности фотодиодов.
Среднеквадратическое значение тока
фотодиода определяется следующей
формулой:

81. Дробовые шумы

Обусловленные
дискретной
природой
фотонов и генерируемых ими пар «электрондырка». Фототок не является непрерывным и
однородным потоком, а представляет поток
отдельных дискретных электронов. Фототок
флуктуирует в зависимости от того, насколько
много или мало пар «электрон-дырка»
возникает в данный момент времени.
Дробовые шумы присутствуют и тогда, когда
свет не падает на фотодиод. Даже в
отсутствие
оптического
сигнала
малые
флуктуации фототока генерируются за счет
темнового тока и температурных колебаний,

82.

Среднеквадратическое значение тока дробовых
шумов (дробный шум) фотодиода равно: ,
где q — заряд электрона; F(М) — коэффициент
избыточного шума лавинного умножения (усиления),
учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД изза нерегулярного характера процесса умножения;
для некоторых типов ЛФД коэффициент F(M) вблизи
напряжения пробоя может быть представлен в
форме:
где показатель степени х для кремниевых ЛФД
лежит в пределах 0,2...0,5 и для германиевых — 0,9...1,
для ЛФД на основе гибридного соединения вида
InGaAs — 0,7...0,8; Fф — ширина полосы пропускания
фотодиода.

83. Темновой ток

Среднеквадратическое значение
темнового тока определяется по формуле:
Здесь: Im — среднее значение темнового
тока; его величина для кремниевых р-i-n —
фотодиодов лежит в пределах (1...8)10 А,
а для германиевых — на два порядка
выше. Темновой ток возрастает примерно
на 10% с ростом температуры на 1˚С.

84. Тепловые шумы (или шумы Джонсона-Найквиста)

обусловленных флуктуациями отдельных электронов
в проводнике, создающих на его концах напряжение
случайного характера. Электроны в пространстве
между
электродами
фотодиода
ведут
себя
непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им
случайным образом смещаться. В каждый момент
времени суммарный поток случайного движения
электронов может быть направлен к одному либо к
другому электроду. Таким образом, появляется
постоянно
меняющийся
случайный
ток.
Он
накладывается на полезный сигнал и изменяет его.

85.

Среднеквадратическое значение тока тепловых
шумов определяется выражением:
где К=1,38х10-23 Дж/К — постоянная Больцмана;
T— абсолютная температура по шкале Кельвина;
Дж/К
Fф — ширина полосы пропускания фотодиода
(фотодетектора);
Rн — сопротивление нагрузки.
Среднеквадратическое значение суммарных шумов (полного
шума) на выходе фотодетектора определяется суммой вида .

86. Помехозащищенность

Помехозащищенность полезного электрического сигнала
от полного шума на выходе фотодетектора определяется
отношением сигнал — шум, которое можно представить
в виде
где Wc — мощность фототока на единичном
сопротивлении нагрузки Rн = 1 Ом;
Wш — полная мощность шумов на единичном
сопротивлении нагрузки

87.

Спектральное
уплотнение
WDM

88. Спектральное уплотнение

1. Спектральное уплотнение. Обобщенная блок схема. Принцип работы.
Достоинства. Недостатки.
2. DWDM. Блок схема. Назначение. Требования к технологии DWDM.
Частотный план. Д. Н.
3. CWDM. Блок схема. Назначение. Требования. Распределение длин
волн по диапазонам. Используемое оптическое волокно.
4. Сравнение DWDM и CWDM. Д.Н. Отличия DWDM от CWDM. Волновые
планы CWDM и DWDM. Ограничения данных технологий.

89. ОКНА ПРОЗРАЧНОСТИ ОВ

90. Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет

Рис. 1. Изменение относительной информационной емкости систем связи за последние 100 лет

91.

Основы WDM технологии были заложены в
1958, еще до появления самой волоконной
оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде
чем были созданы первые компоненты
мультиплексных систем. Первоначально они
создавались для лабораторных исследований,
и лишь в 1980 году технология спектрального
уплотнения (Wavelength Division Multiplexing,
WDM) была предложена для
телекоммуникаций. А еще через пять лет в
исследовательском центре компании AT&T
была реализована технология плотного
спектрального уплотнения (Dense Wavelength
Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в
одном оптическом волокне создать 10 каналов
по 2 Gbps.

92.

Обобщенная схема WDM
1
1
коо
ОС
ОПр
ОПер
N
1
λ1
коо
ОС
ОПер
МП
коо
N
λ1
λ1 ,λ2, ……..λn
λ2
ОС
λ
λ2
1
ОПр
ОС
коо
ДМП
N
N
λn
1
коо
N
ОС
ОПер
1
λn
ОПр
ОС
коо
N

93. Схема организации связи.

94. Преимущества технологии спектрального уплотнения очевидны:

существенное увеличение полосы пропускания оптического
волокна (возможность организации в одном волокне до 160
спектральных каналов, каждый до 10 Гбит/с);
возможность использования различных длин волн для
передачи разного рода трафика;
«прозрачность» оптических интерфейсов оборудования
DWDM для передачи практически всех существующих на
сегодняшний день протоколов физического уровня (Fast
Ethernet, Gigabit Ethernet, PDH, ATM, Sonet / SDH, Fiber
Channel и т.д.);
использование оптических усилителей (EDFA, Raman
Amplifier) позволяет реализовать участки большой
протяженности без регенерации цифровых каналов
(до 1 500 км).

95.

Технология
DWDM

96.

ITE-T
передатчик
GE
ОЕО
ATM
ОЕО
Оптический
мультиплексор
ОМ
ввода/вывода
ОМ ОА
ОАDM
ОЕО
DCU
ОD
GE
ОЕО
ATM
Принимающие
транспондеры
Транспондеры
SDH
ОА
ОЕО
Оптический
усилитель
ОЕО
SDH
Компенсатор
хроматической
дисперсии

97.

Спектр ВОСП-WDM
Современные ВОСП-WDM рассчитаны
для работы в третьем и четвертом
окнах прозрачности спектра ОВ. Весь
спектр разбит на два диапазона С и L
(С - Band, L - Band). С-диапазон разбит
на два поддиапазона S(R) и L(R).
Границами этого диапазона являются
длины волн 1528,77 нм и 1569,59 нм
(соответственно частоты 191,0 ТГЦ
и 196,2 ТГц). L-диапазон
характеризуется граничными
длинами волн 1569,59 нм и 1612,55 нм
(соответственно 191,0 ТГЦ и 185,9
ТГц). Таким образом, ширина спектра
С - диапазона - 40,8 нм (5,2 ТГц), L диапазона - 43,1 нм (5,1 ТГц).
В зависимости от расположения
каналов в этих спектрах ВОСП-WDM
подразделяются на:
простыеWDM – системы
(номинальное частотное разнесение
каналов, НЧР, не менее 200 ГГц, число
каналов не более 8);
плотные WDM – системы DWDM
(частотное разнесение каналов не
менее 100 ГГц, число каналов не более
40);
сверхплотные WDM – системы
HDWDM (частотное разнесение
каналов порядка 50 и 25 ГГц , число
каналов порядка 80 и 160).
C(B)
S(R)
L(B)
L(R)
43
40,82
1528,77
196,2
1545,32
194
5,2
1569.59
1612,65
185,9
191,0
5,1
,
нм
f, ТГц

98.

Технология
CWDM

99.

Оптический
мультиплексор
ITE-T
передатчик
GE
ОЕО
ATM
ОЕО
Транспондеры
SDH
ОЕО
ОМ
ввода/вывода
ОМ
ОАDM
ОD
ОЕО
GE
ОЕО
ATM
Принимающие
транспондеры
ОЕО
SDH

100.

Распределение длин волн по диапазонам

101. Оптические диапазоны улучшенного стекловолокна G.652

О – диапазон
1260-1360 нм
Основной
E – диапазон
1360-1460 нм
Расширенный
S – диапазон
1460-1530 нм
Коротковолновый
C – диапазон
1530-1565 нм
Стандартный
L – диапазон
1565-1625 нм
Длинноволновый
U – диапазон
1625-1675 нм
Сверхдлинный

102.

103.

Тип волокна
G.652.C/D
G.655
G.655, G.656
Основное
применение
Системы
SDH/CWDM/DWDM
Магистральная,
зоновая, городская
сеть, кабельное
телевидение, PON,
сети FTTH
Замена волокна
G.652.A/B с окном
прозрачности на
1400 нм
Системы
SDH/DWDM
От 2.5 до 10 Gbit/s на
один оптический
канал
Магистральная,
зоновая, городская
сеть
Системы
SDH/CWDM/DWDM
От 10 до 100 Gbit/s на
один оптический
канал
Магистральная,
зоновая, городская
сеть
Число несущих, n
2
4
8
16
32
64
128
256
Pном=17 дБм
14
11
8
5
2
-1
-4
-7
Pном=30 дБм
27
24
21
18
15
12
9
6

104. Достоинства CWDM системы

Экономия оптического волокна — CWDM система позволяет передавать
по одному волокну до 9 каналов с пропускной способностью до 2,5 Gb/s
на канал
Независимость от электропитания — питание необходимо только для
активного оборудования
Отсутствие проблем «падения», перезагрузок и пр. - CWDM система
является пассивной
Отсутствие необходимости организации постоянного доступа к местам
размещения элементов CWDM системы — существуют OADM модули в
исполнении для размещения в оптических муфтах
Снижение уровня влияния «человеческого фактора» - отсутствие
активных компонентов, требующих настройки, управления и пр.
Значительное снижение стоимости владения — снижение уровня
эксплуатационных расходов
Относительно невысокая стоимость — удельная цена одного канала в
CWDM системе ниже, чем в решении на активном оборудовании;
Максимальная дальность работы CWDM системы составляет 80 и менее
километров
Независимость от клиентских протоколов - передача до 18-ти
независимых сервисов по двум парам оптических волокон; прозрачность
для всех протоколов передачи данных
Наличие различных видов оборудования для монтажа в различных
условиях: в стойку, в муфту, на стену.

105.

Волновые планы CWDM и DWDM
В системах CWDM используется разреженная сетка длин волн со стандартным
фиксированным расстоянием между несущими 20 нм. Решения CWDM
рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях,
когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM.
Полоса С содержит длины волн в диапазоне 1528,77-1560,61 нм, а L - 1566,311612,65 нм. В них попадают следующие несущие CWDM: 1530,1550,1570,1590 и 1610
нм. С другой стороны, как видно из рис. в полосе пропускания фильтра одной из
несущих CWDM может разместиться восемь несущих DWDM полосы С.
Из сказанного выше следует, казалось бы, простой метод формирования гибридного
частотного плана и первая стратегия расширения числа несущих:
a) используя план CWDM, разместить восемь основных каналов (1470-1610 нм);
б) при необходимости увеличения числа каналов, заменить один из каналов CWDM
на восемь каналов DWDM.

106.

В системах CWDM общая требуемая ширина диапазона длин волн не
превышает 340 нм. Следует учесть, что на краях такого широкого
диапазона затухание достаточно велико, особенно в области коротких
волн. Увеличить число каналов до 18 позволили так называемые
волокна с нулевым водяным пиком (ZWPF, Zero Water Peak Fiber;
LWPF, Low Water Peak Fiber), параметры которых определяет
рекомендация ITU-T G.652.C/D. В волокнах данного типа устранен пик
поглощения на длине волны 1383 нм и величина затухания на этой длине
волны составляет порядка 0,31 дБ/км, что вполне приемлемо для систем
CWDM.
Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного DWDM
(WDM и HDWDM) оказалось оптическое волокно G.655, а для
разреженного WDM (CWDM) – недавно стандартизованное оптическое
волокно G.656, G.657.
Создание волокон без «водяного пика», позволило использовать в
системах связи все волны в диапазоне от 1260 до 1625 нм, – т.е. там, где
кварцевое оптическое волокно обладает наибольшей прозрачностью.

107. Принципиальные отличия CWDM от уже широко-известной технологии DWDM заключаются в следующем:

спектральное расстояние между соседними каналами составляет 20
нм (для сравнения, в технологии DWDM - 0.8 нм или 100 ГГц между
каналами), соответственно максимальная емкость сети CWDM ниже,
чем DWDM, а также предъявляются не столь жесткие требования к
оптическим параметрам передатчиков и, как следствие, они дешевле,
чем трансмиттеры (передатчики) для DWDM;
поскольку большинство из каналов выходят за пределы рабочей
спектральной полосы эрбиевых оптических усилителей (EDFA),
использующихся в технологии DWDM, то бюджет сети CWDM
определяется исключительно параметрами трансиверов CWDM;
так как, в отличие от DWDM, каналы CWDM могут находиться в
различных спектральных диапазонах (O-band, S-band, C-band, L-band),
то бюджет линии в этом случае определятся оптическими потерями на
ту длину волны, для которой они в волокне максимальны; например,
средние потери на длину волны 1310 нм составляют, как правило, 0.33
дБ/км, в то время как на 1550 нм – 0.22 дБ/км;
на сегодняшний день максимальная скорость передачи в сетях CWDM
ограничена значением 2.7Гбит/с (с FEC), в то время как в DWDM уже
используются скорости 10.0 Гбит/с;
как правило, область применения технологии CWDM ограничивается
сетями уровня «Метро» и редко используется для построения
магистральных междугородских линий связи.

108. Какие ограничения каждой из этих технологий?

Какие ограничения каждой из этих
технологий?
• Системы CWDM, хотя и являются многоканальными,
но не имеют никаких механизмов оптического усиления
и ограничения в дальности определяются по каналу
с максимальным затуханием. Более того, каналы
из области от 1360 нм до 1440 нм могут испытывать
наибольшее затухание (от 1 до 2 dB/км) из-за водяного
пика в этой области для некоторых типов оптического
кабеля.
• Системы DWDM обычно ограничены по дальности 45 участками усиления из-за шумов усиленного
спонтанного излучения (ASE, Amplified Spontaneous
Emissions) в EDFA. Имеются средства моделирования,
позволяющие точно определить сколько EDFA может
быть установлено. На длинных участках (> 120 км) может
создавать проблемы дисперсия, что требует установки
модулей компенсации дисперсии. Полоса DWDM
ограничена длинами волн в пределах от 1530 нм до
1565 нм диапазоном усиления EDFA.

109. Компоненты оптических систем

Пассивные:
• оптическое волокно
• аттенюатор
•мультиплексор
Активные:
• передатчик (LED, лазер)
• приемник
• усилитель
• регенератор

110.

Оптические усилители

111. Оптические усилители

1. Оптические усилители. Назначение. Д. Н. Типы оптических усилителей
по назначению и по способам реализации (эрбиевые и на эффекте
Рамана). Режимы работы EDFA.
2. Эрбиевые усилители. Блок схема. Назначение. Принцип работы. Д. Н.
3. Схемы эрбиевых усилителей. Блок схема. Назначение. Д. Н. Основные
характеристики.
4. Рамановское усиление (Рамановские усилители). Схема переходов при
раманавском усилении. Схема усилителя. Д.Н.
5. Комбинированные волоконно-оптические усилители. Схема. Принцип
работы. Достоинства. Недостатки.

112.

113. Схемы оптических усилителей на волокне, легированном эрбием

с
сигнал
ОМР
н
ППЛ
накачка
с
сигнал
Активное ОВ
изолятор
а
ОДМ
ОМР
ППЛ
ППЛ
н = 980 нм
с
изолятор
сигнал
Активное ОВ
б
н = 1480 нм
ОМР
КХД
ППЛ
н = 980 нм
Активное ОВ
в
ППЛ
ОДМ
н = 1480 нм

114.

Зависимость коэффициента усиления от мощности входного сигнала
и различные режимы работы EDFA
В режиме насыщения (область С ) как усилитель мощности (бустер)
сразу после лазера передатчика.
Бустер повышает мощность сигнала и Рвых
позволяет максимально увеличить
расстояние до первого линейного
усилителя.
В режиме промежуточных значений
усиления и шума (область В ) – как
линейный усилитель. Он усиливает
сигнал, насколько это возможно,
S
внося при этом как можно меньше
шума.
В режиме наименьшего шума
(область А ) - как предусилитель
перед приемником. Предусилитель
повышает мощность слабого сигнала
в конце линии связи и практически
всегда используется вместе с
узкополосным фильтром.
А
В
С
А - режим предварительного
усилителя
В- режим линейного усилителя
С- режим усилителя мощности
Рвх
Рвх

115.

Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины
волны

116.

117.

118.

119. Основные параметры коммерчески доступных эрбиевых волоконных усилителей:

коэффициент линейного усиления
(малосигнального) – 30-40 дБ;
мощность насыщения -- до 0,5 Вт;
спектральная полоса усиления – 30-40 нм;
диапазон рабочих (усиливаемых) длин волн -(1530-1570) нм;
коэффициент шума -- (4-6) дБ.
Современные эрбиевые волоконные усилители
обеспечивают усиление модулированных
оптических сигналов в полосе до 40 ГГц. Имеются
экспериментальные работы, в которых показана
возможность усиления модулированных сигналов
с скоростями модуляции до 160 Гбит/с.

120. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТА РАМАНА В САМОМ ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ.Раманавские усилители

РАМАНОВСКОЕ
УСИЛЕНИЕ
СЛЕДУЮЩЕМ.
ПРИ
ПОДХОДЯЩЕЙ
ДЛИНЫ
ЗАКЛЮЧАЕТСЯ
ПРОХОЖДЕНИИ
ВОЛНЫ
В
В
СВЕТА
КВАРЦЕВОМ
ВОЛОКНЕ ПРОИСХОДИТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КВАНТОВ
ПУЧКА
С
АТОМАМИ
РЕЗУЛЬТАТЕ
ЧЕГО
(ИОНАМИ)
ЭЛЕКТРОНЫ
ВЕЩЕСТВА,
ПЕРЕХОДЯТ
В
НА
ВОЗБУЖДЕННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ. ЕСЛИ
ЧЕРЕЗ
ТАКОЕ
БЛИЗКОЙ
ВОЛОКНО
ДЛИНОЙ
ПРОПУСТИТЬ
ВОЛНЫ,
ТО
ОН
СВЕТ
С
ВЫЗОВЕТ
ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. НА РИС. ПРИВЕДЕНА
СХЕМА ПЕРЕХОДОВ ПРИ РАМАНОВСКОМ УСИЛЕНИИ.
ЛАЗЕР НАКАЧКИ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ
1480
НМ,
ПЕРЕВОДИТ
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
УРОВЕНЬ.
ПОД
ЭЛЕКТРОНЫ
НА
КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЙ
ДЕЙСТВИЕМ
СТИМУЛИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ ОНИ ПЕРЕХОДЯТ НА БОЛЕЕ НИЗКИЙ
УРОВЕНЬ – КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ, ИСПУСКАЯ КВАНТ С
ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 1580 НМ, А ЗАТЕМ ПРОИСХОДИТ
БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ
ПЕРЕХОД
(ВЕРНЕЕ,
С
ИЗЛУЧЕНИЕМ ФОНОНА) С КОЛЕБАТЕЛЬНОГО УРОВНЯ
В ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ.

121.

ПОСКОЛЬКУ ИМЕЕТСЯ ШИРОКИЙ НАБОР КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЫШЕ ОСНОВНОГО, ТО
РАМАНОВСКИЙ СПЕКТР НЕ ПРИВЯЗАН К ФИКСИРОВАННЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УРОВНЯМ, КАК В
СЛУЧАЕ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. ПОЭТОМУ ПРИ ДОСТАТОЧНО МОЩНОМ ЛАЗЕРЕ
НАКАЧКИ УСИЛЕНИЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПОЛУЧЕНО НА ЛЮБОЙ ДЛИНЕ ВОЛНЫ В ИНФРАКРАСНОЙ
ОБЛАСТИ. ЭТА ОСОБЕННОСТЬ ПОЗВОЛЯЕТ ПРИМЕНЯТЬ РАМАНОВСКИЕ УСИЛИТЕЛИ ВО ВСЕМ
ДИАПАЗОНЕ ПЕРЕДАЧИ КРЕМНИЕВЫХ ОПТОВОЛОКОННЫХ КАБЕЛЕЙ, ЧТО КРАЙНЕ ВАЖНО ДЛЯ
СЕТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
WDM
При построении оптоволоконных сетей с рамановскими усилителями перед
разработчиками встает вопрос: как направить луч накачки – в прямом или в
обратном направлении по отношению к распространению информационного
сигнала? Схема обратного распространения луча применяется чаще, так как она
обладает рядом преимуществ. Дело в том, что при прямом распространении на
сигналы сильное влияние оказывает шум лазера накачки, который обусловлен
небольшими флуктуациями его мощности, что почти всегда имеет место. Поскольку
рамановский процесс происходит почти мгновенно, то отдельные информационные
биты могут усиливаться по-разному, что приводит соответственно к флуктуациям
амплитуд. Если же применяется схема обратного распространения, то флуктуации
мощности усредняются, так как каждый индивидуальный бит «видит»
рамановскую накачку несколько миллисекунд.

122.

123. Рамановские усилители перспективны в силу следующих принципиальных преимуществ

они могут усиливать на любой длине волны;
в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный
световод;
спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбором
источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм)
полосу усиления;
низкий уровень шумов.
Основной же их недостаток - не очень высокая эффективность,
приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную
накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина
для систем оптической связи).
Только в последнее время разработаны высокоэффективные рамановские
волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в
диапазоне 1.2-1.5 мкм, а также усилитель этого типа, использующий
специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и
низкими оптическими потерями. Появилась возможность использовать
гибридный усилитель, состоящий из распределенного рамановского и
эрбиевого волоконного. С его помощью X. Масуда с соавторами получил
полосу усиления свыше 80 нм. Их результаты были представлены на
конференции в Сан-Хосе в 1998 г. Кроме того, этот гибридный усилитель
обеспечивает лучшие шумовые характеристики.

124. Комбинированные ВОУ

Рамановский ВОУ
Эрбиевый ВОУ
ОМР
ОМР
с
Кварцевое ОВ
н1 = 1480 нм
с
Активное ОВ
н2 = 1510 нм
н3 = 1480 нм
При каскадном соединении рамановского (для соответствующего диапазона) и эрбиевого (с
корректором) усилителей суммарная спектральная характеристика усиления оказывается
равномерной в широкой полосе длин волны.
G, дБ
40
35
30
25
20
15
1525
Комбинированный ВОУ
Рамановский ВОУ
1535
1545
Эрбиевый ВОУ
1555
1565
1575 , нм

125. Оптический регенератор

Оптический регенератор. Назначение. Схема. Принцип регенерации.
Временные диаграммы.
2. Уровни оптической регенерации. 1R, 2R, 3R.
1.

126.

Оптический ретранслятор
ОВ
ОВ
ПрОМ
РУ
УТС
ФС
ПОМ

127. Имеется три различных уровня оптической регенерации, которые могут быть применены, чтобы увеличить дальность передачи.

1R-amplification: Это техника регенерации добавляет оптическую мощность
к сигналу без воздействия на его форму или синхронность. EDFA просто добавляет
фотоны во входящий оптический сигнал на определенной длине волны и фазе
этого сигнала. Это не восстанавливает и не ресинхронизует входящий сигнал.
Побочный эффект EDFA — создание шума усиленного спонтанного излучения,
который аккумулируется с каждым EDFA в линии и может быть «очищен» только
конвертированием оптического сигнала к электрическому виду и обратно.
Типичное количество EDFA в каскадном соединении не более 4 или 5.
2R-amplification and reshaping: Эта техника усиливает и восстанавливает форму
деградированного сигнала. Форма воссозданного сигнала близка к оригинальному
сигналу, но длительность временных циклов (синхронность) не восстанавливается.
Накопление джиттера приводящее к потере синхронизации будет ограничивать
количество каскадно-установленных 2R регенераторов.
3R-regeneration, reshaping and re-timing: Вместе с усилением и восстановлением
3R регенерация также воссоздает оригинальную длительность циклов
(синхронность) исходного сигнала, таким образом, создавая идеальную
возможность для увеличения жизни синхронных и асинхронных сигналов. Почти
неограниченное количество 3R регенераторов могут быть установлены на пути
следования сигнала.

128.

Не при каких обстоятельствах
не смотреть в торец ОВ!
Это опасно для глаз!!!
Это конец!