Волоконно-оптические сети

Введение

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

1) излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна (меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550нм);

2) источник излучения должен выдерживать необходимую модуляцию для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

3) источник излучения должен быть эффективным (чтоб большая часть излучения попадало в волокно с минимальными потерями);

4) стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой;

5) источник излучения должен иметь большую мощность, чтоб передавать сигнал на большие расстояния (но чтоб излучение не приводило к нелинейным искажениям и не повредило волокно или оптический приемник) Два основных типа источника, удовлетворяющие требованиям, используются в настоящее время — светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения заряда носителей. Для этого используется конструкция с p-n переходом — фотодиод. Из фотоприемников, применяемых в ВОЛС получили распространение: лавинные фотодиоды, фототранзисторы, p-i-n фотодиоды.

оптический излучение ток

Исходные данные:

Т, а б л и ц, а 1 — Исходные данные

Т, а б л и ц, а 2 — Исходные данные

Т, а б л и ц, а 3 — Исходные данные

Т, а б л и ц, а 4 — Исходные данные

Т, а б л и ц, а 5 — Исходные данные

Задание 1

По данным таблицы 1 построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него. Для заданных (по варианту) тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов (см. таблицу 2) определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h. По построенной характеристике указать вид источника.

Ток смещения I, мА=14

Амплитуда тока модуляции Im, мА=6

Рисунок 1 — Зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока Увеличим требуемый промежуток для более наглядного отображения:

Согласно графику (рисунок 2):

Pmax = 55 мкВт

Pmin = 2,5 мкВт.

Для определения глубины модуляции используем соотношение:

(1.1)

Что соответствует 90%

Задание 2

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 3. Используя график и данные таблиц 4−5, определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Рисунок 3 — Зависимость чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения По построенному графику зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения учесть соотношения:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

где:

ЕФ — энергия фотона, е — заряд электрона = 1,6.10−9 Кл, зВН — внутренняя квантовая эффективность фотодиода = 0,5,

h — постоянная Планка= 6,26.10−34 Дж. с, С — скорость света = 3.108 м/с.

По графику определяем, что материал для изготовления прибора — германий.

Возьмем h ВН равной 0,5

Энергия фотона:

Ток фотодиода:

Чувствительность фотодиода:

.

Величина фототока при заданных л и зен определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

. (2.4)

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества, может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны называемой длинноволновой границей чувствительности.

Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением:

(2.5)

где Еg — ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого сделан фотодиод.

Пусть фотодиод сделан из германия. Тогда Еg=0,661 эВ. Следовательно:

Заключение

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой диода (рисунок). Где 1 — лазерный диод, 2 — светодиод.

Исходя из зависимости выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока (рисунок 1) можно сделать вывод, что источником оптического излучения был светодиод. Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Носители заряда — электроны и дырки — проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Длина волны излучения связана с шириной запрещенной зоны активного слоя и законом сохранения энергии .

Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников: токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжние; рабочий диапазон температур; наработка и отказ.

1 Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. — М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. — 267 с.

2 Иванов А. Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. — М.: SYRUS SYSTEMS, 1999. — 671 с.

3 Гауэр Дж. Оптические системы передачи. Пер с англ. — М.: Радио и связь, 1989. — 501 с.

4 Слепов Н. Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET и WDM). — М.: Радио и связь, 2000. — 468 с.

5 Волоконнооптические системы передачи и кабели. Справочник под ред. Гроднева И. И., Мурадяна Р. М. и др. — М.: Радио и связь, 1993. — 264 с.

6 Фокин В. Г. Волоконно-оптические системы передачи с подвесными кабелями на воздушных линиях электропередачи и контактной сети железных дорог. — Новосибирск, СибГУТИ, 2000. — 94 с.

7 Фокин В. Г. Аппаратура и сети доступа. — Новосибирск, СибГУТИ, 2000. — 114 с.

8 Фокин В. Г. Аппаратура систем синхронной цифровой иерархии. Издание 2-е, исправленное и дополненное. — Новосибирск, СибГУТИ, 2001. — 60 с.