lection 13 (1128545), страница 3
Текст из файла (страница 3)
ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойЧем может помочь лазер ?1962 - группы из General Electric, IBM и MIT Lincoln Laboratory разрабатываютлазер на GaAs с накачкой за счет инжекции носителейПри прямом смещении дырки из p-области и электроны из nобласти инжектируются в p-n переход. При их рекомбинации всоответствии с законом сохранения энергии испускается фотон.Процесс испускания может быть спонтанным (светодиод) либовынужденным (действие фотона той же частоты, лазерный диод)ХОЛЛ РобертИнжекция носителейВ случае индуцированного испусканиярождается клон: направление распространения,поляризация и фаза второго фотона в точностисовпадают с теми же характеристиками первогоФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.
http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойЧем может помочь лазер ?Больше всего распространены лазеры на гетероструктурах,лазеры с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) илазеры на квантоворазмерных структурах (КРС-лазеры)АЛФЕРОВ Жорес ИвановичПрименяемые лазеры обычно работают вобластях прозрачности кварцевого волокна:0.82 - 0.90 мкм, 1.30 - 1.33 мкм и ~ 1.55 мкмМощность излучения 1 - 5 мВт и ее увеличениенецелесообразно, т.к.
срок службы лазероврезко падает. Ширина спектра излучения около0.1 нм при уровне боковых частот ниже 20 дБ. Водночастотных лазерах, полуширина спектрагенерации может быть 500 МГц и менееФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойЧем может помочь лазер ?Частота модуляции для современныхкоммерческих скоростных лазеров составляетот нескольких десятков - сотен МГц до 1.5 - 2.5ГГц. Достигнута скорость передачи сигналовсвыше 25 Гбит/с«Глаз-диаграмма» на скорости 25 Гбит/сЛазер с вертикальным резонаторомБольшие надежды возлагаются на лазеры свертикальным резонатором (VCSEL, verticalcavity surface-emitting lasers).
В таких лазерахгенерируется одна продольная мода диаметром20-30 мкм. Прикладывая электрическое полеудается осуществлять плавную перестройкудлины волны генерации в полосе 1530-1560 нмдля спектрального мультиплексированияФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13.
Связь ЭВМ с внешней средойЧем может помочь лазер ?1963 – Режим генерации«гигантских» импульсов модуляция добротностиХЕЛВАРС Роберт1965 - Генерация короткихимпульсов - синхронизацияпродольных модДеМАРИЯ ЭнтониФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13.
Связь ЭВМ с внешней средойЧем может помочь лазер ?Шкала временных интерваловСвойства излучения:Монохроматичность (!),направленность (!),когерентность (!),генерация короткихимпульсов (!)Импульсные режимы:Свободная генерацияМодуляция добротностиСинхронизация модФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойЛинзовый волновод1961 - Губо и Шверинг, линия передачи базе конфокального линзового волновода.Линзовый волновод - набор положительных линз, расположенных на двойномфокусном расстоянии друг от друга. Назначение линз - компенсироватьдифракционную расходимость пучка оптического излучения в линии.
Основныенедостатки - необходимость четкой (с точностью около 20 мкм) установки расстояний,огромные (~100 дБ/км) потери и стоимость. Скорость передачи информации близка крадиорелейным линиям связиЛинзовый волноводПроект линии связиФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойВзаимодействие со средойВ оптически однородной среде:изменение скорости волны изменение ее амплитуды -показатель преломления nкоэффициент поглощения maНа границах раздела двух сред(изменение n и ma ) происходитотражение и преломлениеЗаконы отражения и преломленияФизические основы современных ЭВМ.
ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойПолное внутреннее отражениеПолное внутреннее отражение - отражение электромагнитных волн от границыраздела двух сред при условии, что волна падает из среды, где скорость еераспространения меньше (показатель преломления больше), при угле падения,превосходящим критический угол. При этом падающая волна отражается полностью, акоэффициент отражения не зависит от длины волныХод лучей при наклонном паденииХод луча света в световодеФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.
http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойОптические волокна и кабелиОптическое волокно имеет круглое сечение и состоит изсердцевины и оболочки. Показатель преломления сердцевинывыше, чем оболочки. Например, если показатель преломленияоболочки равен 1,474, то сердцевины - 1,479. Поэтому свет,направленный в сердцевину, так по ней и распространяться.Возможны более сложные конструкции: вместо ступенчатогоизменения показателя преломления могут использоватьсяволокна с градиентным профилем показателя преломления,форма сердцевины может отличаться от цилиндрической.Такие конструкции обычно нужны для удержания поляризации,снижения потерь, изменения дисперсии и др.Волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило,имеют диаметр 125±1 мкм.
Диаметр сердцевины можетменяться в зависимости от типа волокна и стандартовФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойОптические волокна и кабелиДиаметр сердцевины в одномодовом волокне от7 до 9 мкм. Благодаря этому по нему можетраспространяться единственная мода иисключаются дисперсионные искаженияСуществует три основных типа одномодовых волокон:- ступенчатое волокно с несмещенной дисперсией (SMF, применяется в большинствеоптических систем связи);- волокно со смещенной дисперсией (DSF), в котором за счет использования примесейобласть нулевой дисперсии смещена в 3-е окно прозрачности (минимум затухания);- волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF)Многомодовые волокна отличаются диаметром сердцевины (50 мкм в европейскомстандарте и 62,5 мкм в североамериканском и японском стандартах).
Из-за этого потакому волокну распространяются несколько мод и световой импульс испытываетдисперсионные искажения.Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойПрофиль показателя преломленияВолокна делят на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых - показательпреломления от оболочки к сердцевине меняется скачком.
В градиентных - показательпреломления сердцевины плавно растет от края к центру. Благодаря этому снижаетсяроль дисперсии. Профиль показателя преломления градиентного волокна может бытьпараболическим, треугольным, ломаным и т.д.Полимерные (пластиковые)волокна производятдиаметром 50, 62.5, 120 и980 мкм c оболочкойдиаметром 490 и 1000 мкмСтупенчатые иградиентные волокнаФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13.
Связь ЭВМ с внешней средойМоды и их дисперсияРаспределение электрического поля впоперечном сечении сердцевиныПостоянные распространения разных модФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойМоды и их дисперсияПоказатель преломления кварцевогостеклаи его материальная дисперсияФизические основы современных ЭВМ.
ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойМоды и их дисперсияАбсолютный минимум оптических потерь в одномодовом кварцевом волокнесоставляет примерно 0.125 дБ/км на длине волны 1.55 мкм.Минимальное затухание в двух других окнах прозрачности (длины волн 0.85 и 1.3 мкм)около 2.5 и 0.35 дБ/км соответственноВклады различныхпроцессов в коэффициентзатухания одномодовогокварцевого волокнаФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойСветодиод и полупроводниковый лазерСветодиод(LED)ИнжекционныйлазерВыходная мощность0,5 - 10 мВт3 - 10 мВтВремя нарастания1- 20 нсДиапазон тока смещения5- 150 мАПараметр1-2нс100 - 500 мАСветодиодВ низкоскоростных (< 10 Мбит/с) линиях связи небольшой (0.1-1.0 км) длиныисточниками света часто являются светодиоды сравнительно малой мощности(до 0.5 мВт) с большой (около 20-30 нм) шириной спектра излучения.Принцип действия светодиодов основан на спонтанной рекомбинации электроннодырочных пар в активной области гетеро- либо квантоворазмерной структуры.Диапазон рабочих длин волн от 0.4 до 1.6 мкмФизические основы современных ЭВМ.
ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойpin фотодиодpin-фотодиод - структура из p- и n-полупроводников, разделенная сравнительнопротяженной i-областью. При поглощении кванта в i-области образуется электрон идырка. Во внешнем поле они дрейфуют, создавая электрический ток в замкнутой цепифотоприемника. Спектральная чувствительность определяется типом структуры, приэтом красная граница фотоэффекта составляет ~0.9 мкм для GaAs, 1.1 мкм для Si и1.7 мкм для Ge. Временные характеристики определяются толщиной i-слоя, скоростьюдрейфа и собственной емкостью. Время нарастания может достигать 10-100 псSi pin-фотодиод и егоспектральнаячувствительностьФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13.
Связь ЭВМ с внешней средойЛавинный фотодиодСтруктура, усиление итемновой ток (шум)лавинного фотодиодаЛавинный фотодиод - полупроводниковый фотоприемник с внутренним усилениемфототока. Между областью поглощения света (p-областью) и n-областьюполупроводниковой p-n структуры расположен дополнительный p-слой. При высокомнапряжении обратного смещения носители в p-области приобретают кинетическуюэнергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решетки.Благодаря большой (~105 В/см) напряженности электрического поля первичнаяэлектронно-дырочная пара создает сотни вторичных пар, что увеличивает фототок.Полоса рабочих частот достигает 80 ГГц, а основной недостаток - большие шумыФизические основы современных ЭВМ. ВМиК.
http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойФотоприемникиПараметрpinдиодТранзисторПриемникДарлингтона1535180Лавинный диодЧувствительность(мкА/мкВт)0,5Время нарастания (нс)12200040000101001010U смещения (В)Кремниевые фотодиоды и фототранзисторыФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойМетоды уплотнения информацииОсновными методами увеличения скоростипередачи информации в оптоволоконныхлиниях связи являются:- временное уплотнение,- пространственное уплотнение,- спектральное уплотнение,- модовое уплотнениеВременное уплотнение (TDM) - увеличение частоты передачи сигналов, т.е.использование при передаче (в цифровом режиме кодирования) импульсныхсигналов минимальной длительности и скважности.
На сегодня в режимемодуляции тока накачки полупроводниковых излучателей достигнута скоростьпередачи информации около 30 Гбит/с. При использовании внешних модуляторовмаксимальная частота модуляции достигает нескольких сотен Гбит/с.Физические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойМетоды уплотнения информацииПространственное уплотнение - увеличениечисла волокон в многожильном кабеле(144 волокна и более).
Увеличение числаволокон многократно увеличивает пропускнуюспособность, но резко осложняет проблемусоединения таких кабелей.Многожильный кабельСпектральное уплотнение (WDM) одновременная передача по одножильномукабелю нескольких сигналов с разнымидлинами волн несущих. В пределах полосыпрозрачности волокна можно разместитьнесколько информационных сигналов и темсамым увеличить пропускную способностьлинии связиПринцип WDMФизические основы современных ЭВМ. ВМиК. http://comp.ilc.edu.ruЛекция 13. Связь ЭВМ с внешней средойОптический солитонОдин из способов реализации принципа TDM использование сверхкоротких (длительность~1-10 пс) световых импульсов - солитонов.Считается, что именно в этом случае будутдостигнуты предельные (~Тбит/с) скоростипередачи данных по одномодовому волокнуСущность солитонного режима в том, что придостаточно больших интенсивностях свет засчет нелинейного эффекта (эффект Керра)меняет показатель преломления, что должноукорачивать импульс по мере егораспространения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
