Лекция 17

Лекция 17.

План:

1. Фотоприемники;

2. Принципы построения волоконно-оптических систем передачи;

§6.17.1. Фотоприёмники

Фотоэлектрическим прибором называют прибор (фотодиод), электрические свойства которого изменяются под действием пада­ющего на него излучения. Для ВОЛС используются следующие области спектра: мкм и  мкм. Это объяс­няется малым затуханием излучения в оптических волокнах на этих длинах волн.

Основными требованиями к фотоприемникам ВОЛС являются: высокая чувствительность на рабочей длине волны, большое быст­родействие, стабильность к внешним температурным изменениям и хорошая надежность. Квантовой эффективностью фотодетектора называется относительное число падающих фотонов, высвобождающих электроны в фотодетекторе. Селективные фотоприемники позволяют увеличить объем передачи информации на нескольких близких несущих частотах. Ширина полосы спектральной чувствительности фотоприемников , определяющая их селективность должна совпадать с шириной полосы источников излучения.

Для создания чувствительных и быстродействующих фотодетекторов можно использовать как внешний, так и внутренний фотоэффекты. Внешний фотоэффект используется в вакуумных приборах — фотоэлементах, когда падающий на фотокатод свет вызывает эмиссию электронов. При внутреннем фотоэффекте в области р-п перехода полупроводника образуется фототок, вызванный движением созданных светом носителей заряда с атомов либо решетки, либо примеси. Для каждого из этих переходов требуется некоторая минимальная энергия, поэтому каждый тип фотоприемника имеет определенную выбранным материалом длинноволновую границу.

Для фотоприемников используют две формы фотоэффекта фотопроводимость — увеличение проводимости образца под влиянием освещения в области спектральной чувствительности проводника, и фотовольтаический эффект, обусловленный тем, что поле р-п перехода пространственно разделяет генерируемые светом электроны и дырки и создает тем самым между смежными областями кристалла фото-ЭДС, благодаря чему по нагрузке во внешней цепи течет фототок.

Рекомендуемые материалы

§6.17.2. Принципы построения волоконно-оптических систем передачи

В оптических системах передачи применяются те же принципы образования многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по электрическим кабелям, а именно частотного и временного разделения каналов. В первом случае сигналы различаются по частоте и имеют аналоговую форму передаваемого сообщения. Во втором случае каналы различаются по времени, а импульсы имеют дискретный вид. Это соответствует цифровой передаче с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Во всех случаях оптической передачи электрический сигнал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую и затем передается по оптическому кабелю. В основном используется способ модуляции интенсивности опти­ческой несущей, при котором от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемого в кабель. Непосредственно частотная и фазовая модуляции не могут быть применены поскольку из-за шумового характера источников излучения, работающих в оптическом диапазоне, сигнал не является синусоидальным, а имеет частотный спектр конечной ширины. Тем не менее, данные виды модуляции могут быть реализованы путем изменения соответствующих параметров сигнала, модулирующего интенсивность излучения оптического источника.

Оптические системы передачи являются, как правило, цифровыми. Это обусловлено тем, что передача аналоговых сигналов требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах. Особенность оптических цифровых систем состоит в том, что передача ведется только однополярными импульсами электрического сигнала, мо­дулирующего оптическую несущую. Последнее объясняется тем, что модулируется не амплитуда, а мощность оптического излуче­ния. Вместо двухполярных импульсов квазитроичного сигнала в электрических системах передачи, в оптических системах приме­няется двоичный сигнал, в который вносится избыточность для устранения длинных последовательностей нулей (единиц), затрудняющих тактовую синхронизацию (рис. 6.1).

Таким образом, наиболее распространенной волоконно-оптической системой связи является цифровая система с временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией интенсивности излучения источника. Двусторонняя связь осуществляется по двум волоконным световодам. По одному световоду передаются сигналы в направлении А—Б, по другому — в направлении Б—А. В обоих направлениях сигналы передаются на одной и той же оп­тической несущей (например, имеющей частоту Гц, соответствующую длине волны  мкм).

Электрический сигнал после прохождения электронной части аппаратуры модулирует оптический сигнал для обеспечения воз­можности передачи его по оптическому кабелю. Оптический сиг­нал создается в оптическом передатчике, в качестве которого чаще всего используется светоизлучающий диод или полупроводниковый лазер. Исходный электрический сигнал либо непосредственно подается на излучатель, в результате чего осуществляется прямая модуляция мощности излучения электрическим сигналом, либо управляет работой внешнего модулятора, на вход которого от источника поступает непрерывное или импульсное излучение с постоянными параметрами. Для повышения эффективности ввода оптического сигнала в кабель (снижения потерь на вводе) включаются элементы согласования. Поступающий из кабеля оп­тический сигнал преобразуется в оптическом приемнике в элек­трический сигнал, который по­ступает для дальнейших преобразований в электронную схему.

Рекомендация для Вас - 1 Отображение пространства пользователя.

Принципиальная структурная схема волоконно-оптической связи с импульсно-кодовой модуляцией приведена на рис. 6.2. Основу составляет оптический кабель ОК, а также оптический передатчик (ОП) в начале системы и оптический приемник (ОПр) в конце системы. Передатчик выполняет также роль преобразователя электрического сигнала в оптический ЭОП, а приемник обеспе­чивает обратное преобразование оптического сигнала в электрический ОЭП.

Для преобразования кода и согласования элементов схемы применяются кодирующие устройства, а также оптические согласую­щие устройства (СУ). Преобразователь кода (ПК) формирует требуемую последовательность импульсов и осуществляет согла­сование уровней по мощности между электрическими (ИКМ) и оп­тическими (ПЛ, СД и ФД) элементами схемы (от аппаратуры ИКМ поступают сигналы высокого уровня, а для СД необходимы сигналы весьма малого уровня). Передающие и приемные СУ формируют и согласовывают диаграммы направленности и апертуру между приемопередающими устройствами и кабелем.

Передаваемый ИКМ сигнал через преобразователь кода поступает в ЭОП. Здесь он модулирует оптическую несущую, создаваемую ПЛ или СД, и через передающее СУ поступает в оптический кабель. На приеме оптический сигнал через приемное СУ поступает в ОЭП, где он преобразуется в электрический сигнал и через ПК поступает в приемник ИКМ. Таким образом, на пере­дающей стороне от ИКМ до ЭОП и на приемной стороне от ОЭП до ИКМ действует электрический сигнал, а от ЭОП до ОЭП передается оптический сигнал.

Через определенные расстояния, обусловленные дисперсией и затуханием кабеля, располагаются регенераторы, где сигнал восстанавливается и усиливается.

Некоторые конфигурации оптоволоконных сетей приведены на следующем рисунке.