Опубликован: 03.05.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 2640 / 447 | Оценка: 4.39 / 4.14 | Длительность: 19:41:00
Лекция 3:

Оптоволоконные кабели

< Лекция 2 || Лекция 3: 1234 || Лекция 4 >

Электрооптические преобразователи

Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в световой, — это светодиоды и лазерные диоды.

Светодиоды (LED — Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн). Характеристика светодиода показана на рис. 3.9 [ 20 ] . Область спектра генерируемого сигнала \Delta\lambda= 30 \times 50 нм при длине волны основного сигнала 850 нм и 70 или 120 при длине волны основного сигнала 1300 нм. На рисунке максимальная мощность обозначена 1. Типовое значение возбуждаемой максимальной мощности для различных типов диодов различна и находится в пределах от 20 до 10 дБ. Некогерентность светодиодов ограничивает их применение.

Кривые временных задержек и удельной хроматической дисперсии

Рис. 3.7. Кривые временных задержек и удельной хроматической дисперсии
Таблица 3.3. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах
Тип волокна \lambda,(нм) Межмодовая дисперсия, пс/км \tau_{mod} Удельная хроматичская дисперсия пс/(им км)D(\lambda)
MMF50/125 850 414 (\Delta=0,02, n_1=1,46) 99,6 (\lambda_0=1322-1354нм, S_0\leqslant 0,097пс /(нм^2 км))
1310 414 1,0
1550 414 19,2
MMF 62,5/125 850 973 (\lambda_0=1297-1316нм, S_0\leqslant 0,101пс/(нм^2 км)) 106,7 (\lambda_0=1301,5-1321,5 нм, S_0\leqslant 0,092пс /(нм^2 км))
1310 973 4,2
1550 973 17,3
SF 8/125 1310 0 <1,8(\lambda_0=1525-1565нм, S_0\leqslant 0,085пс /(нм^2 км))
1550 0 17,5
DSF 8/125 1310 0 21,2 6
1550 0 <1,7
Форма импульса типа "солитон"

Рис. 3.8. Форма импульса типа "солитон"

Самые главные достоинства светоизлучающих светодиодов — это:

  • большой срок службы;
  • меньший временной дрейф параметров;
  • большая линейность и меньшая температурная зависимость излучаемой мощности;
  • низкая стоимость и простота эксплуатации.
Спектральная характеристика светодиода

Рис. 3.9. Спектральная характеристика светодиода
Характерные спектральные характеристики лазерных диодов: а) Многомодовые, б) Одномодовые

Рис. 3.10. Характерные спектральные характеристики лазерных диодов: а) Многомодовые, б) Одномодовые

Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют 10 дБ. Кроме того, поскольку излучение — некогерентное, то есть оно происходит в некотором спектральном диапазоне, будет происходить дополнительное искажение передаваемого сигнала (расширение импульсов) за счет различий в распространении разных спектральных составляющих. Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких десятков мкВт. При необходимости создать линию для передачи на большие расстояния применяют лазерные диоды, имеющие лучшую спектральную характеристику. Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение, его луч обладает более узким спектром ( рис. 3.10), по сравнению со светодиодом [ 24 ] . Принцип излучения лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей мощностью [ 16 ] до нескольких сотен милливатт, минимальной шириной спектра и очень узкой направленностью. На рис. 3.10 видно, что как многомодовые, так и одномодовые лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр, чем светодиоды, и это обеспечивает меньшую хроматическую дисперсию.

Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами, они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и стоимости. Это определяет их применение для осуществления передачи на дальние расстояния в магистральных линиях. Характеристики светодиодов и лазерных диодов приведены в табл. 3.4 [ 16 ] .

Таблица 3.4. Характеристики светодиодов и лазерных диодов
Параметры Светодиод Лазерные диоды
Длина волны 850, 350 1350,550
Выходная мощность 0,5 – 11,5 мВт 3 – 10 мВт
Время нарастания 1 – 20 нс 1 – 2 нс
Диапазон тока 5 – 150 мА 100 – 500 мА
Ширина спектра 50 – 120 нм 0,4 – 1,0

Оптоэлектрические преобразователи

Фотодиоды

Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность приемника намного больше сечения световода, потери при переходе излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от источника в линию. Для приема излучения могут использоваться фотодиоды - полупроводниковые приборы на основе групп кремния и германия. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают усиление фототока.

Фототранзисторы

Эти полупроводниковые приборы также строятся на основе кремния и германия. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов. Граничная частота для лучших образцов достигает 200 МГц.

PIN-фотодиоды

В p-i-n (PIN) фотодиодах между слоями с разной проводимостью (p и n) вводится слой с собственной проводимостью (i-область), который при подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными носителями. В результате поглощения света будут образовываться электроны-носители, которые будут ускорять сильное электрическое поле. PIN-фотодиоды обладают большей, чем фотодиоды, чувствительностью. Их барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц). Для них требуется небольшое напряжение обратного смещения (менее 5В).

Лавинные фотодиоды

Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них образуется сильное ускоряющее поле. В поле происходит лавинное размножение носителей, образующихся под влиянием света, то есть усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием, однако, их использование затруднено сложностью, высокой стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме усиления слабого сигнала. Характеристики оптических приемников приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Характеристики оптических приемников
Параметры p – i – n Лавинный фотодиод Фототранзистор
Чувствительность 0,5 мка/мкВт 15мка/мкВт 35мка/мкВт
Время нарастания 1 нс 2 нс 2 мкс
Напряжение смещения 10 В 100 В 10 В

Оптические соединители

Одним из критических мест волоконных систем являются сращивание волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 микрон) или деформация формы сечения волокон. Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 3.11 , и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 0,2 дБ. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 0,001-0,1дБ. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона3 Отношение максимального уровня сигнала, при котором еще не происходит перегрузка входных каскадов приемника к минимальному, определяемому порогом чувствительности (обычно выраженному в децибелах)оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

С использованием оптических волокон можно создавать не только кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу4Многопортовое устройств, которое обеспечивает возможность размножения сигнала на всех или части своих портов. Схема такого фрагмента сети представлена на рис. 3.12 (пассивный хаб концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть. Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход фотоприемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов, подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют 2С + S + 10\times log(N), где: С— потери в разъеме, S— потери в пассивном разветвителе, а N— число оптических каналов (Nможет достигать 64). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при отключении питания.

Схема оптического разъема

Рис. 3.11. Схема оптического разъема
Схема пассивного оптоволоконного хаба

Рис. 3.12. Схема пассивного оптоволоконного хаба

Кросс

Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу площади превышает предыдущие системы (например, цифровые системы уплотнения). К такому кроссу предъявляются стандартные требования:

  • учет специфики кроссирования оптоволоконного кабеля;
  • надежность и управляемость кабельным хозяйством;
  • удобство работы;
  • безопасность для персонала.

Высокая плотность и хрупкость (высокая вероятность повреждения в условиях эксплуатации) приводят к новым решениям. Еще одна особенность оптических кабелей состоит в специфике распространения света по волокну. При перегибе волокна больше защитного радиуса в 30 мм в нем возникает рассеяние оптической мощности, и затухание в кабеле значительно возрастает. Поэтому помимо бережной эксплуатации появляется еще одно требование — геометрического свойства: ни при каких обстоятельствах радиус перегиба не должен превышать критический. В соответствии с новыми нормами и стандартами безопасности OSHA (Occupational Safety and Health Administration — законы о технике безопасности и гигиене труда США) оптические кроссы должны обеспечивать максимальную защиту глаз оператора от возможного лазерного излучения при кроссировке кабелей. Особенно это важно для кроссов высокой плотности. Особенностью кроссов высокой плотности является принципиальная невозможность использования вертикальных или фронтальных методов доступа к кабелям. Фронтальные методы не обеспечивают в полной мере необходимую плотность кроссовых соединений и не столь безопасны для персонала. Вертикальный доступ неудобен при работе с отдельными волокнами.

< Лекция 2 || Лекция 3: 1234 || Лекция 4 >
Евгений Попов
Евгений Попов
Россия, Москва, МИПК при МГТУ им. Баумана, 2003