Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 11/1 “ ПЕРЕДАЮЩИЕ МОДУЛИ ВОЦСП ”
1. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА в ВО ЦСП.
Основными отличительным признаком ВО ЦСП от аналогичных (по канальной емкости) электрических кабельных ЦСП является наличие ОПД и ОПМ.
Основным элементом ОПД является источник оптического излучения. Он должен излучать оптический сигнал на заданной длине волны, обеспечивать высокий КПД ввода оптического сигнала в ОВ; иметь малые габариты, массу и потребляемую мощность; отличаться простотой, надежностью и долговечностью.
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют источники оптического излучения, построенные на основе полупроводниковых структур. Поэтому в ВО ЦСП практически используются два типа источников: светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД), или инжекционные лазеры (ИЛ).
Принцип их действия основан на использовании явления оптического излучения, которое возникает в полупроводнике под воздействием внешнего электромагнитного поля. При прямом напряжении смещения, приложенном к р-n переходу, электроны инжектируют из n-области в р-область. Происходит рекомбинация носителей (электронов и дырок). В результате освобождается энергия, которая излучается в виде квантов света – фотонов. Энергия фотона, выделенная в результате рекомбинации, пропорциональна постоянной Планка:
Eф= h · ƒ = h · с/λ, или λ = h · c/ Eф = 1,24/ Eф, (*)
где Eф – энергия фотона [эВ] (1эВ=1,6 · 10-19 Дж); h – постоянная Планка,
h = 6,626 · 10-34Дж · с; ƒ – частота [Гц]; с = 3 · 108 м/с – скорость света в вакууме; λ – длина волны оптического излучения [мкм].
Во всяком полупроводнике зона проводимости, имеющая некоторую концентрацию n – свободных электронов, отделена от валентной зоны, имеющей такую же концентрация р – свободных дырок, энергетическим зазором запрещенной зоны Eд [эВ], как показано на рис.
У разных полупроводников запрещенная зона имеет разное значение и при ее преодолении излучаются оптические волны разной длины. Первым из всех полупроводников наиболее проверенным и хорошо обработанным технологически был арсенид галия (Ga As). Именно этот материал был первым применен в 80-х годах при разработке источников излучения для оптической связи. У него Eд = 1,42 эВ, излучаемый оптический сигнал в соответствии с формулой (*) имеет длину волны λ = 1,24/1,42 0,87 мкм.
Длина волны оптического излучения может быть увеличена или уменьшена путем добавления к некоторому основному полупроводнику различных примесей в разных концентрациях. Современные источники излучения работают на основе подложки из фосфида индия InP и четверного соединения арсенид – фосфид галлия и индия InGaAsP. Ширина запрещенной зоны у них меняется от 1,35 эВ до 0,74 эВ, что позволяет перекрыть диапазон длин волн 0,92…1,67 мкм, т.е. получить источники излучения λ1 = 1,24/0,95 ≈ 1,3 мкм; λ2 = 1,24/0,8 = 1,55 мкм.
Принципиальное различие между СИД и ИЛ состоит в том, что в первых происходит спонтанная (самопроизвольная) рекомбинация носителей.
Излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным. Время перехода всех электронов с одного энергетического уровня на другой разное. Происходит наложение излучения, возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой. Вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра излучения ∆λ составляет десятки нм, как показано на рис.
Инжекционные лазеры являются когерентными (точнее квазикогерентными) источниками оптического излучения, в которых происходит направленное излучение фотонов. Оно получается путем использования оптического резонатора, напр. Фабри – Перро, который формирует остронаправленное излучение. Ширина спектра излучения не превышает единицы нм (рис.).
Кроме указанных параметров: длина волны излучения λ = 0,85; 1,3 и 1,55 мкм и ширина спектра излучения ∆λ = 30…100 нм для СИД и ∆λ = 3…10 нм для ИЛ, источники оптического излучения характеризуются следующими параметрами.
60-80% для ИЛ.
3. Ширина полосы модулирующего сигнала – не более 200 МГц для СИД и
единицы ГГц для ИЛ.
4. Срок службы – до 109 часов у СИД и до 106 часов у ИЛ.
5. Минимальные геометрические размеры – для ИЛ: объем полупроводника
примерно равен 1мм3. К нему подведены металлические проводники
(электроды). Излучение происходит из запрещенной зоны толщиной
0,15…0,2 мкм.
6. Низкая стоимость, экономичность питания, возможность массового
производства.
Параметры некоторых серийных образцов источников оптического излучения приведены в табл.
|
Параметры Тип излучателя |
λ, мкм |
Р изл, мВт |
Iнак, мА |
fмод, МГц |
Траб, час |
t0C |
∆λ0,5, мкм |
|
СИД ЗЛ-124 ИЛПН-206 ИЛПН-216 |
0,85 1,3 1,3;1,55 |
4,0 1,0 3,0 |
100 100 40 |
50 150 3000 |
105 104 105 |
-40…+60 -50…+60 -60…+50 |
0,06 0,004 0,006 |
Выбор источника излучения определяется типом используемой ВО ЦСП.
Достоинства ИЛ: малые массогабаритные параметры; высокий КПД; узкополосность и направленность излучения; возможность модуляции широко – полосным сигналом; допускает непосредственную модуляцию простым изменением тока возбуждения (накачки).
Недостатки ИЛ: большой ток накачки и дефекты полупроводниковых структур ограничивают срок службы; имеет нестабильные оптические параметры: в результате старения полупроводника и изменения температуры возникают колебания мощности излучения. Используя специальную обратную связь и термостатирование, мощность излучения стабилизируют, но это удорожает ОПД, усложняет его и снижает надежность.
Анализ работы ИЛ показывает, что они могут применяться и успешно применяются в ВО ЦСП средней и большой дальности (зоновая и магистральная сеть) и средней и большой канальной емкости (480 каналов ОЦК и более).
СИД: проще, дешевле, более долговечны, надежны и стабильны. Хотя полная мощность излучения может достигать несколько мВт, из-за большой расходимости излучения удается ввести в ОВ не более 10%. Это ограничивает область применения СИД.
2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОПД и ПРИНЦИП его РАБОТЫ
В современных ВО ЦСП используются ОПД с непосредственной модуляцией излучаемого сигнала по интенсивности. Последовательность видеоимпульсов ЦГС через модулятор подается на источник оптического сигнала и управляет его излучением. В качестве излучателя применяются только ИЛ.
ОПД состоит из оптической и электронной частей. Оптическими элементами являются ИЛ и фотодиод обратной связи, которые помещаются в термостат. К электронным устройствам относятся: модулятор (формирователь импульсов тока накачки - ФИТН); автоматический регулятор тока смещения (АРТС), или стабилизатор средней мощности оптического излучения; устройства контроля, индикации и блокировки. Структурная схема ОПД приведена на рис.
Она работает следующим образом. ЦГС с оборудования временного мультиплексирования данной ЦСП (ОПМ, ОВМ и т.д.) в виде последовательности единиц и нулей со скважностью 2, т.е. в формате RZ (Return Zero)-с возрастом к нулю) через схему блокировки поступает на ФИТН и формирователь опорного напряжения (ФОН).
Типичная ваттамперная характеристика ИЛ приведена на рис.
При малом токе (участок а) излучение определяется спонтанными переходами и ИЛ подобен СИД. В области кривой б возрастает доля индуцированного излучения. При токах выше порога (Iпор) излучение ИЛ становится индуцированным (участок в).
Если ИЛ вводить в режим индуцированного излучения непосредственно импульсами тока накачки (Iнак), то это приводит к осцилляциям выходных импульсов ИЛ и к их значительной задержке tз, как показано на рис.
Это увеличивает также спектральный состав излучения – рис.
Для устранения этих недостатков во всех ИЛ используется прямое смещение BAX путем введения постоянного тока смещения – рис. Тогда величина рабочего тока ИЛ равна сумме: Iр = Iнак+Iсмещ, которая должна быть несколько больше Iпор, но меньше той, при которой возбуждаются спектральные составляющие высших порядков. При этом удается получить выходную мощность ИЛ почти без ее релаксационных колебаний и с уменьшением задержки, как показано на рис.,
а излучение – со стабильной узкой спектральной линией – рис.
Но это еще не все. Остается проблемой зависимость Iпор = φ (t0C) – при увеличении температуры на 40…500С (от 200С до 60…700С) ток Iпор возрастает вдвое. Это приводит к резкому увеличению мощности излучения и расширению его спектрального состава. Поэтому во всех ОПД лазер помещают в термостат, а Iсмещ с помощью обратной связи поддерживается постоянным, т.е. вводится система автоматической регулировки тока смещения (АРТС).Она обеспечивает стабилизацию параметров ИЛ, в частности, средней мощности излучения ,минимизирует постоянную составляющую оптического сигнала.
Но вернемся, после сделанных отступлений, к работе схемы ОПД. В ФИТН последовательность ЦГС преобразуется в импульсы тока накачки Iнак с заданной амплитудой для управления мощностью излучения ИЛ. С выхода ФИТН импульсы тока Iнак проходят через ИЛ, в котором и выполняется преобразование электрического сигнала в оптическое излучение.
Оптический сигнал на выходе ИЛ представляет собой последовательность “радиоимпульсов” с частотой заполнения, соответствующей длине волны излучения. Электрическому импульсу передаваемого ЦГС соответствует импульс оптического излучения на выходе ИЛ, т.е. “1” выходного ЦЛС.
Нулю в составе ЦГС соответствует отсутствие излучения на выходе ИЛ. Другими словами, в ОПД происходит модуляция источника оптического излучения по интенсивности. Для эффективного ввода излучения лазера в ОВ необходимо, чтобы излучающая поверхность ИЛ была уменьшена до размеров сердцевины ОВ (50 мкм для МОВ и 7…10 мкм для ООВ). Поэтому для ввода излучения используются специальные согласующие устройства, которые позволяют довести эффективность ввода излучения ИЛ до 70…80% (без СУ – 20…30%).
АРТС состоит из формирователя опорного напряжения ФОН, компаратора и регулятора тока смещения. Сигнал с выхода ФОН подается на вход компаратора, а на его второй вход через ФД обратной связи поступает часть мощности оптического излучения. Разностный сигнал с выхода компаратора управляет работой РТС, который автоматически изменяет ток Iсмещ и поддерживает постоянной среднюю мощность оптического излучения ИЛ.
При отсутствии входного сигнала ФИТН через устройство контроля блокируется, сигнал в виде логической “1” подается на устройство сигнализации, загорается светодиод “Авария входного сигнала”. Предусмотрена также сигнализация об аварии излучателя оптического сигнала.