Структура ВОЛС

Структура ВОЛС

Передающие и приемные модули. Назначение передающего модуля состоит в преобразовании входной информации в виде электрических сигналов в оптические сигналы, согласованные с каналом передачи (волоконным световодом); при этом модуль должен надежно функционировать при всех возможных изменениях внешних воздействующих факторов (температуры, влажности, вибрации, колебаний напряжений питания и т. п.).

В устройстве возбуждения  сигнал, поступающий через входной  электрический разъем, преобразуется  в мощные импульсы накачки, превышающие порог генерации лазера. Это устройство может осуществлять и некоторые дополнительные функции: задание постоянного смещения (предпороговая подпитка); придание импульсу накачки специальной формы, обеспечивающей форсирование начала и обрыва генерации; изменение длительности импульса возбуждения по сравнению с поступающим импульсом (например. для улучшения теплового режима работы лазера) и т. п. В устройство возбуждения могут быть введены и блоки, выполняющие совершенно иные функции: аналого-цифровое преобразование сигнала, кодирование, мультиплексирование и др. В этом случае передающий модуль фактически превращается в оконечное устройство линии передачи информации; его описание выходит за рамки данного рассмотрения. Устройство возбуждения выполняется в виде интегральной монолитной или гибридной микросхемы.

«Центром» передающего  модуля является излучатель — именно в нем происходит оптоэлектронное  преобразование. Основные излучатели ВОЛС — полупроводниковые инжекционные гетеролазеры на основе соединений СаА1Аs (для диапазона длин волн 0,8... 0,9 мкм) и InGаАsР (1,3 ...1,6 мкм). Используются практически все структуры, предназначенные для получения низкого тока накачки и высокой степени когерентности: полосковые лазеры, лазеры с зарощенной структурой, с распределенной обратной связью и сдвоенные лазеры со сколото-связанными резонаторами. Модуль может содержать одновременно несколько лазеров, излучающих на разных длинах волн (для целей спектрального мультиплексирования), в этом случае структурная схема соответственно видоизменяется и усложняется.

Излучение лазера поступает  на выходное оптическое устройство, включающее элементы согласования (селективные  фильтры или смесители мод; элементы, преобразующие диаграмму направленности излучения к оптимальному для ввода в волокно виду) и оптический соединитель. Часть светового потока лазера с помощью светоделителя (или путем использования внеапертурного излучения) направляется на фотоприемник обратной связи, который через микроэлектронное устройство управления так воздействует на устройство возбуждения и на лазер, чтобы осуществлялась компенсация температурных, деградационных и других изменений мощности на выходе модуля. Для ослабления температурных эффектов в модуль вводится термоэлектрический охладитель, включающий измеритель и схему автоматической регулировки температуры.

Важнейшей частью модуля является корпус, выполняемый обычно в виде плоской прямоугольной  металлической коробочки с электрическим  и оптическим соединителями на противоположных торцах. В тех случаях, когда предполагается монтаж модуля непосредственно на печатную плату, электрический соединитель заменяется системой выводов.

Для коротких ВОЛС с невысокими скоростями передачи информации удобно вместо лазера использовать светодиоды: это повышает надежность и долговечность передающего модуля, снижает его стоимость, резко упрощает структурную схему. В этом случае термоэлектрические охладители не нужны, исключается также цепь фоточувствительной обратной связи.

Передающие модули на основе полупроводниковых инжекционных излучателей (лазеров и светодиодов) характеризуются всеми достоинствами, присущими этим приборам: малыми габаритными размерами, долговечностью и надежностью, экономичностью, малыми питающими напряжениями, простотой модуляции.

Приемный  модуль (рис. 9.10,6) предназначен для обратного преобразования оптического сигнала, поступающего из канала передачи (световода), в электрический и его восстановление до исходного вида; через оптический согласующий элемент (обычно оптический соединитель, а иногда и фокусирующая линза) излучение поступает на чувствительную площадку фотоприемника, в качестве которого практически повсеместно используются фотодиоды: лавинные и с р-i-n-структурой (см. гл. 6). Для спектрального диапазона Dl=0,8..0,9 мкм это кремниевые фотодиоды, для диапазона Dl= 1,3 ... 1,6 мкм—фотодиоды на основе германия и главным образом на основе соединений InGaАs. Определенные перспективы для фотопрbема в ВОЛС имеют гетеро-фототранзисторы со сверхтонкой базовой областью и планарные фоторезисторы (на основе кремния, арсенида галлия и др.).

Назначение последующих  каскадов структурной схемы рис. 9.10,6 состоит в обеспечении оптимального (или квазиоптимального) приема, т. е. в реализации такого алгоритма, который  позволяет получить наилучшие характеристики (порог чувствительности, полоса частот и др.) при неизбежном действии шумов и искажениях.

Конкретное исполнение этих каскадов зависит от типа используемого фотоприемника  и вида поступающих информационных сигналов (их амплитуды, частоты следования, кода и др.).

Предварительные усилители обычно выполняются в одном из двух вариантов: высокоимпедансный (интегрирующий) усилитель  тока (рис. 9.11,а) или трансимпедансный усилитель—преобразователь тока в  напряжение, охваченный глубокой отрицательной обратной связью (рис. 9.11,6). Первый вариант характеризуется наименьшим уровнем шумов и соответственно максимальной пороговой чувствительностью, но вместе с тем и ограниченным динамическим диапазоном, а также сложностью изготовления и индивидуальной настройкой. Для второго варианта, напротив, типичны большой динамический диапазон и широкая полоса частот, но он уступает первому по порогу срабатывания. В широкополосных трансимпедансных усилителях наилучшие шумовые характеристики достигаются при использовании биполярных транзисторов.

Схема обработки сигнала представляет собой специальный электронный фильтр, предназначенный для уменьшения межсимвольной интерференции, т. е. частичного наложения импульсов на выходе усилителя вследствие дисперсионных явлений в световоде и динамических искажений в приемопередающих модулях. В схеме принятия решения (как правило, компараторе) сигнал сравнивается с заданным смещением (порогом) и принимается решение об истинности поступившей информации.

Кроме передающих и приемных модулей в линиях дальней связи необходимы также ретрансляторы, в данном случае активные устройства с оптическими входом и выходом, в которых осуществляется регенерация (восстановление) оптических сигналов по мере их затухания при прохождении по световоду. Практически ретранслятор представляет собой объединение приемного и передающего модулей, т. е. оптоэлектронное устройство с двойным преобразованием энергии вида свет—электричество—свет.

Коммутационные  элементы (элементы связи). Это набор пассивных оптических элементов, приборов, устройств, обеспечивающих объединение линейного тракта (кабеля) и активных прием-но-передающих модулей в единую систему передачи с произвольной структурной конфигурацией и с заданным алгоритмом распределения световых сигналов в этой системе. Коммутационные элементы содержат несколько групп изделий.

Оптические соединители предназначены для многократного сочленения-расчленения концов двух отрезков кабеля (соединители типа кабель—кабель) или конца кабеля с передающим (приемным) модулем (блочные соединители). По числу одновременно соединяемых световодов они делятся на одно- и многоволоконные. В типичном одноволоконном (однополюсном) оптическом соединителе (рис. 9.12.a) конец кабеля армируется жестким калиброванным цилиндрическим элементом так, чтобы оси этого элемента и сердцевины волокна строго совпадали. В этом случае при соединении цилиндрические элементы совмещаются с помощью направляющей муфты, автоматически обеспечивая и совмещение осей волокон. В многоволоконных (многополюсных) соединителях (рис. 9.12,6) чаще всего используют конструкцию с Y-образными канавками, в которых и размещаются отдельные световоды. Кроме соединителей линейного типа (рис. 9.12,6) известны матричные с числом одновременно сочленяемых световодов до 100...150. Заметим, что число разновидностей опторазъемов, отличающихся друг от друга принципом сведения сочленяемых элементов, чрезвычайно велико: число наименований патентной литературы по этому направлению превышает несколько тысяч.

Чисто внешне оптические соединители обычно оформляются так же, как электрические для унификации в сфере применения.

Основной параметр оптического  соединителя — вносимые потерн пропускания bс ; приемлемый уровень этих потерь 1 дБ. Величину bс составляют неидеальность механизма соединителя (допуски при обработке деталей, истирание и усадка, различие температурных коэффициентов используемых материалов и т. п.);

несовершенство используемых волокон (линейные колебания диаметра и числовой апертуры, допуски на диаметры сердцевины и оболочки, эллипсность их сечений, эксцентриситет и т. п.); технологические погрешности при заделке (армировании) конца кабеля, обусловливающие разъюстировку центров сердцевины волокна и направляющего элемента; воздействие внешних факторов (ударов, вибраций, температуры, влажности и т. п.) в процессе эксплуатации. При расчете bс используют зависимости (теоретические или эмпирические), подобные тем, которые представлены на рис. 9.13. Из этих графиков видно, что bс=1дБ вполне реально, однако требует высокой прецизионности во всех компонентах сочленения.

Объединение элементов в систему. Волоконно-оптическая связь с момента своего появления основывается на принципах передачи цифровой информации. Это обусловлено тремя основными причи- нами. Во-первых, появление ВОЛС совпало со временем, когда преимущества цифровых методов обработки и передачи информации перед аналоговыми стали очевидными; при этом зарождающееся направление не было связано какими-то старыми традиционными решениями. Во-вторых, широкополосность ВОЛС сразу удовлетворяла требованиям цифровой связи. В-третьих, оптоэлектронный канал лазер—волокно—фотодиод не обладает необходимой линейностью передаточной характеристики и линеаризация ее очень сложна.

При передаче аналоговой информации (а исходная, первичная  информация чаще всего имеет аналоговую форму) она перед поступлением в ВОЛС проходит ряд преобразований: дискретизацию (стробирование), кодирование (аналого-цифровое преобразование) и мультиплексирование (уплотнение отдельных информационных каналов).

Код передачи (или код системы связи) характеризует такие специфические отметки в передаваемой двоичной информации, которые в приемнике позволяют установить их однозначное соответствие цифровому сигналу, возбуждающему передатчик. Известно много вариантов кодирования; при выборе оптимального кода руководствуются такими соображениями, как простота кодирующего-устройства, узкая полоса рабочих частот (это упрощает схему приемника и уменьшает эквивалентный входной шум), возможность одновременно с сообщением передавать и синхросигналы, исключение случайных ошибок передачи и т. п.

Широко распространенными являются (рис. 9.16) код «без возврата к нулю» (БВН или NRZ в английском написании) и двухфазный код типа L (или «Манчестер-II»). Для подавляющего большинства случаев простейший код БВН удовлетворяет всем требованиям передачи данных. Поскольку он не требует операций кодирования и декодирования и эффективно использует полосу частот канала связи, характеристики кода задают некоторый стандарт, относительно которого оцениваются показатели других кодов.

В БВН-коде поток данных отображается серией уровней напряжений, постоянных на интервале каждого передаваемого  разряда. В манчестерском коде, напротив, каждый двоичный разряд соответствует  переходу уровней, причем направление  перехода определяет значение двоичной переменной (лог. 1 — переход «вниз», лог. 0—переход «вверх»). В БВН-коде длинная последовательность единиц (или нулей) образует постоянный уровень, поэтому спектр БВН-сигнала занимает полосу от постоянной составляющей до половины тактовой частоты; манчестерский код занимает полосу от половины до полного значения тактовой частоты (поэтому приемник может быть узкополосным). Другими достоинствами манчестерского кода являются свойство самосинхронизации (передача тактового сигнала одновременно с сообщением), простота обнаружения ошибок, сбалансированность по постоянной составляющей. Эти особенности кода «Манчестер-II» проявляются с наибольшим эффектом при мультиплексировании нескольких каналов передачи информации в одном световоде; для одноканальной связи вполне достаточным (и оптимальным) является БВН-код.

Ошибки на приемном конце (восприятие лог. 1 вместо лог. 0 или наоборот) возникают  из-за искажения сигнала при прохождении  по тракту (затухание, дисперсия, шумы). Мерой качества передачи сигнала является вероятность ошибки Y, приемлемый уровень этого параметра Y<< 10⁹, т. е. не более одного сбоя на 10⁹ бит информации. Дальнейшее повышение надежности передачи обеспечивается не аппаратными, а логическими методами зашиты.

При расчете системы учитывается последовательное ослабление сигнала во всех элементах ВОЛС:

В_волс = b_изл + b_вв + b_тр + Nb_с + b_выв + b_фп.                                       (*)

где в правой части приведены  потери сигнала в излучателе, при  вводе в волокно, в тракте, в N оптических соединителях, при выводе и в фотоприемнике. При наличии кроме соединителей других коммутационных элементов их потери пропускания также вводятся в правую часть (9.22). Из-за неопределенности ряда членов правой части  реально должен быть обеспечен запас энергетического потенциала линии.

Расчет по (*) справедлив лишь для статического низкочастотного  режима работы; с ростом скорости передачи информации необходимая минимальная  мощность бессбойно передаваемого  сигнала растет (рис. 9.17).

Приведенные соображения касаются простейшей линии связи, соединяющей две точки. Конфигурации сетей связи сложнее; наиболее типичны соединения типа «шина», «кольцо», «звезда» (рис. 9.18). В этих случаях расчет соответственно усложняется.

Все созданные ВОЛС используют приемники прямого детектирования, которые не являются оптимальными. С 1980 г. начались исследования по перенесению принципа гетеродинного приема в область оптических частот. Структурная схема гетеродинного фотоприемника (рис. 9.19) содержит такие дополнительные элементы, как опорный лазер, оптический смеситель в виде полупрозрачного зеркала, полосовой фильтр с комплексным коэффициентом передачи К(W), настроенным на частоту биений W=w₁—w₂.