Введение к работе
Актуальность, Волоконно-оптические системы передачи информации в настоянеє время испытывают бурный рост. Актуальным направлением исследований являет-;я разработка приемно-усилительных элементов волоконно-оптических линий связи, гаких как фотоприемные устройства, системы передачи телевизионного изображения, эадиоэлектронные тракты с использованием приборов на поверхностных акустических золнах, эффективные устройства управления акустооптическими приборами ВОЛС. Фотоприемное устройство в значительной степени определяет параметры всей волоконно-оптической системы связи, поскольку принятый сигнал в нем имеет минималь-яый уровень. Волоконно-оптические системы передачи телевизионного сигнала находят широкое применение благодаря известным преимуществам волоконной оптики. Увеличение количества одновременно передаваемых по одному волокну телевизионных сигналов достигается путем уплотнения радиочастотных поднесущих и, дополни-гельно, уплотнением оптических поднесущих. При уплотнении радиочастотных поднесущих эффективным методом фильтрации является применение акустоэлектронных фильтров на поверхностных акустических волнах. Осуществить спектральное уплотнение оптических поднесущих возможно акустооптическими приборами. Создание малогабаритных микросборок управления акустооптическими приборами включает в себя вопросы разработки эффективных формирователей и широкополосных усилителей, пригодных для гибридно-пленочного интегрального исполнения. Этим направлениям отвечают исследования, приведенные в данной работе.
Целью диссертационной работы является анализ физических процессов в фотоприемных устройствах волокоішо-оптических систем передачи информации, шумовых характеристик пьезокристаллических устройств на поверхностных акустических волнах; создаїше действующих образцов и опытных партий фотоприемных устройств, микросборок управлеіпія акустооптическим модулятором, волоконно-оптических телевизионных модемов; внедрение волоконно-оптических телевизионных модемов в промышленно эксплуатируемые корпоративные волоконно-оптические сети.
Достижение цели предполагает решение следующих задач:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в фотоприемных устройствах и приемно-усияительных трактах с использованием приборов на поверхностных акустических волнах.
-
Разработка физико-математических моделей, описывающих шумовые и усилительные свойства фотоприемных устройств и приемно-усилительных трактов с исполь-
' зованием приборов на поверхностных акустических волнах.
-
Разработка оригинальных схемотехнических решений и рекомендаций для оптимального построения фотоприемных устройств и приемно-усилительных трактов с использованием приборов на поверхностных акустических волнах.
-
Внедрение разработанных образцов в промышленю эксплуатируемые системы.
Достоверность полученных результатов определяется: использованием многократно экспериментально и теоретически проверенных значений источников шумов активных усилительных приборов; применением общепризнанной гауссовской аппроксимации вероятности ошибки в волоконно-оптическом канале связи при анализе чувствительности фотоприемных устройств; использованием при оптимизации динамического диапазона акустоэлектронных устройств на ПАВ известных и неоднократно проьеренных аналитических выражений сопротивления излучения встречно-штыревых преобразователей (ВШП), уровня подавления трехпролетного эхо-сигнала, методов аподизации ВШП; наконец, достоверность теоретических результатов подтверждается многочисленными экспериментами, выполненными на действующих образцах волоконно-оптических линий связи.
Научная новизна результатов работы:
-
Разработана и экспериментально проверена методика расчета чувствительности фо-топриемньгх устройств волоконно-оптических линий связи с использованием шумовых канонических эквивалентных схем.
-
Предложен ряд оригинальных схемотехнических решений фотоприемных устройств, широкополосных усилителей и формирователей радиоимпульсов.
-
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований шумовых характеристик пьезокристаллических устройств на поверхностных акустиче-
ских волнах разработана методика комплексной оптимизации радиоэлектронного приемно-усилительного тракта с использованием приборов на поверхностных акустических волнах с целью достижения высокой чувствительности и максимального динамического диапазона при минимальных нелинейных искажениях. 4. На основании разработанной методики комплексной оптимизации радиоэлектронного приемно-усилительного тракта предложена схема многоканальной волоконно-оптической системы передачи высококачественного телевизионного изображения с применением фильтров на поверхностных акустических волнах.
Практическая ценность работы состоит в непосредственной применимости ее результатов для создания фотоприемных устройств волоконно-оптических линий связи, оптимизированных по динамическому диапазону приемно-усилительных трактов с использованием приборов на поверхностных акустических волнах, широкополосных усилителей, волоконно-оптических телевизионных модемов. Разработаны, исследованы и внедрены в промьшілеішо эксплуатируемые системы действующие образцы и опытные партии фотоприемных устройств, широкополосных усилителей, формирователя радиоимпульса и волоконно-оптических телевизионных модемов. Результаты теоретического анализа применимы доя инженерных расчетов.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Расчет чувствительности (фотоприемного устройства может быть произведен с помощью эквивалентных канонических шумовых схем усилителей с отрицательной обратной связью.
-
Использование противошумовых коррекций в премно-уснлителышх трактах с использованием приборов на поверхностных акустических волнах позволяет снизить собственные шумы усилителя настолько, что ограничение на нижнюю границу динамического диапазона накладывают тепловые шумы встречно-штыревого преобразователя. Условия эффективности противошумовой коррекции могут существенно отличаться от условий согласования встречно-штыревого преобразователя с усилителем по мощности, что позволяет существенно снижать уровень паразитных эхо-сигналов микросборки при минимизации ее собственных шумов.
-
Достижение высокой чувствительности и максимального динамического диапазона приемно-усилительного тракта с использованием прибора на поверхностных акустических волнах при минимальных нелинейных искажениях обеспечивается комплексной оптимизацией параметров пьезоплаты я усилителя как единого целого. Минимизация общего уровня шума сводится к минимизации коэффициента шума приемно-усилительного тракта, при ограничениях, наложение которых связано с удовлетворением характерных для данного класса устройств технических параметров. Решение поставленной задачи может быть осуществлено методом нелинейного программирования при соответствующих классу устройств нелинейных ограничениях.
-
Результаты анализа и оптимизации конкретных приемно-усилительных трактов < использованием приборов на поверхностных акустических волнах, выполненных ні подложке шюбата лития, танталата лития, оксида цинка и кварца для применения і многоканальных волоконно-оптических системах передачи высококачественной телевизионного изображения.
-
Практические оригинальные схемы высокочувствительных быстродействующи: фотоприемных устройств и широкополосных усилителей в гибридном интеграль ном исполнении, внедренные в технику связи. Волоконно-оптические сети лереда чи изображений в системах управления технологическими процессами, видеонаЁ людения, трансляции сложных медицинских операций.
Реализация результатов работы: Исследование и разработка приємне усилительных элементов волоконно-оптических линий связи проведены в рамках дс говоров с предприятиями НПО «Авангард» (г. С-Петербург), НПО «Волна» (г. Мосі ва), НПО «Красная Заря» (ныне АОЗТ «Информационные телекоммуникационнь технологии» г. С-Петербург), АОЗТ «Ротек» (г. Москва), научно-техническим пр< граммам министерства общего и профессионального образования РФ «Конверсия н учно-технического потенциала вузов» (первый этап) и «Конверсия и высокие технол гии» (второй этап), «Трансфертне технологии, комплексы и оборудование».
Разработанные приемно-усилительные элементы ВОЛС внедрены на ряде пре приятии, о чем прилагаются соответствующие акты.
Результаты работы нашли также применение в учебном процессе при подготовке ;пециалистов в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
-
Всесоюзная научно-техническая конференция «Волоконно-оптические системы связи», октябрь 1983г., г. Киев.
-
14-ая межотраслевая конференция, ноябрь 1983г., г. Ленинград.
-
Школа-семинар «Устройства акустоэлектроники» на ВДНХ СССР, июнь 1988г, г. Москва.
-
42-ая областная научно-техническая конференция по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи ВНТОРЭС им. А.С. Попова, апрель 1987г., г.Ленинград.
-
43-я областная научно-техническая конференция по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи ВНТОРЭС им. А.С. Попова, апрель 1988г., г.Ленинград.
-
20-ая отраслевая (МПСС) научно-техническая конференция «Интегральные оптические сети связи», ноябрь 1989г., г. Ленинград.
-
Научно-техническая конференция «Акустоэлектрояные устройства обработки информации на ПАВ», сентябрь 1990г., г. Черкассы.
-
Вторая Международная конференция «ISFOC92», октябрь 1992г., г. Санкт-Петербург.
-
Межрегиональная научно-техническая конференция «Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники», сентябрь 1991г., г. Ужгород.
-
III Межведомственная научно-техническая конференция «Проблемные вопросы сбора, обработки и передачи информации в сложных радиотехнических системах», ноябрь 1997г., г. Пушкин.
-
Российская научно-техническая конференция «Инновационные наукоемкие технологии для России», апрель 1995 г., г. Москва.
-
Первая Всероссийская научно-практическая конференция. Высшая школа России: «Конверсия и приоритетные технологии», декабрь 1994 г., г. Москва.
-
Вторая Всероссийская научно-практическая конференция. Высшая школа России: «Конверсия и приоритетные технологии», декабрь 1996 г., г. Москва
-
Российско-американский семинар «Проблемы видеоконференцсвязи», июль 1997г., г. Санкт-Петербург.
-
Международная научно-техническая конференция «Лазеры в медицине», май 1998г., г. Санкт-Петербург.
-
Выставка-совещание «Вузы России - оборонно-промышленному комплексу», апрель 2000г., г. Москва.
Разработанные образцы фотопркемкых устройств, мнкросборок управления аку-стооптическими устройствами ВОСПИ, волоконно-оптические телевизионные модемы, макеты лабораторных работ, используемые в учебном процессе, экспонировались на выставках:
-
Постоянно действующая выставка Министерства Средств Связи, г. Москва, 1988 г.
-
Выставка 1-ой Всесоюзной конференции «Оптическая обработка информации», г. Ленинград, 1988г.
-
Международная выставка «ТЕЛЕКОМ-91», г. Женева, Швейцария, 1991г.
-
Международная выставка «Все лучшее из СССР», г. Хельсинки, Финляндия, 1990г.
-
Международная выставка «К играм доброй воли», г. Сиэтл, США, 1990г.
-
Международная выставка «Экспоком-91», г. Москва, 1991г.
-
Международная выставка «Экспоком-92», г. Москва, 1992г.
-
Выставка «Конверсия-93», г. Москва, 1993г,
-
Выставка «Конверсия и высокие технологии-96», г. Москва, 1996г.
10.2-ая международная выставка «EDUCOM-96», г. Санкт-Петербург, 1996г. - экспонат учебная установка «Волоконно-оптическая линия связи» награжден Дипломов за высокий уровень представленной экспозиции.
11.3-я международная выставка «EDUCOM-97», г. Санкт-Петербург, 1997г.
12. Выставка-совещание «Вузы России - оборонно-промышленному комплексу», ап рель 2000г., г. Москва.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ, в то! числе получено 7 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пятя глав, заключе-шя, приложения и списка литературы, содержит 171 страницу, из них 30 страниц ри-;унков, и библиографию из 101 наименования.
