Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование помехозащищённости цифровых фотоприёмных устройств 18
1.1 Порог чувствительности цифрового фотоприёмного устройства 19
1.1.1 ФПУ с р-i-п фотодиодом 20
1.1.2 ФПУсЛФД 22
1.1.3 Шумовой ток ФПУ 23
1.1.4 Факторы ухудшающие порог чувствительности 33
1.2 Реализация входной цепи ФПУ по критерию минимизации шумов 41
1.2.1 Расчёт оптимального значения согласующей индуктивности 41
1.2.2 Расчёт отношения сигнал/помеха приведённого ко входу ПУ 43
1.2.3 Выводы 47
1.3 Исследование фотоприёмных устройств для высокоскоростных систем передачи 48
1.3.1 Введение 48
1.3.2 р-1-п фотодиод 48
1.3.3 Распределённый ПУ 49
1.3.4 Проектирование согласующего устройства 50
1.3.5 Анализ схемы распределённого ПУ 54
1.3.6 Анализ шумов распределённого ПУ 56
1.3.7 Расчёт порога чувствительности ФПУ 64
1.3.8 Выводы 64
2. Исследование помехозащищённости ВОСП с волоконно-оптическими усилителями 65
2.1 Введение 65
2.1.1 Коэффициент усиления ВОУ 68
2.1.2 Шумы ВОУ
2.2 Включение ВОУ в линейный тракт 70
2.3 Определение порога чувствительности оптического приёмного устройства 73
2.3.1 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ в качестве предусилителя 73
2.3.2 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ в качестве усилителя мощности на передаче 84
2.3.3 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ в качестве линейного усилителя 87
3. Исследование помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов. Разработка оптических устройств повышающих помехозащищённость ВОСП 91
3.1 Введение 91
3.1.1 Требования предъявляемые к оптическим фильтрам 92
3.1.2 Виды оптических фильтров 93
3.2 Распространение ЭМВ в одномодовых волокнах 94
3.2.1 Моды волоконного световода 94
3.2.2 Распространение импульса по одномодовому ОВ 97
3.3 Оптические фильтры на основе проходного резонатора Фабри-Перо 99
3.3.1 Использование фильтров ФП для разделения оптических сигналов 103
3.3.2 Отношение сигнал/помеха
105
3.4 Оптические фильтры на основе интерферометра Маха-Цендера 109
3.4.1 Принцип действия фильтра на основе интерферометра МЦ 109
3.4.2 Исследование демультиплексора на основе фильтров МЦ 111
3.4.3 Отношение сигнал/помеха 113
3.4.4 Выравнивание спектра усиления эрбиевых ВОУ 115
3.5 Синтез фильтров на основе связанных волноводов 118
3.5.1 Пространственная связь мод 118
3.5.2 Оптический фильтр на основе связанных волноводов 121
3.6 Синтез фильтров на основе Брэгговских дифракционных решёток 127
3.6.1 Взаимодействие световых волн с ДР 128
3.6.2 Синтез фильтров на основе ДР с изменяющимся по длине устройства коэффициентом связи 131
3.7 Компенсация хроматической дисперсии ОВ 140
3.7.1 ДР с линейно изменяющимся периодом 140
3.7.2 Компенсация дисперсии 141
4. Моделирование работы фотоприёмного устройства 146
4.1 Введение 146
4.2 Математическая модель программы 147
Заключение 149
Литература
- Расчёт оптимального значения согласующей индуктивности
- Включение ВОУ в линейный тракт
- Распространение импульса по одномодовому ОВ
- Синтез фильтров на основе ДР с изменяющимся по длине устройства коэффициентом связи
Введение к работе
Актуапыюсть темы. Применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) позволило в последние годы резко увеличить объём передаваемой информации. В настоящее время наибольшая скорость передачи 10 Гбит/с реализована в СП STM - 64 . Дальнейшее увеличение скорости передачи информации ограничено быстродействием электронных схем обработки сигналов. Основной тенденцией в области оптической связи является исследование и разработка электронно-оптических и полностью оптических устройств позволяющих заменить электронные устройства обработки информации. В первую очередь это относится к линейным регенераторам и мультиплексорам ввода-вывода.
Для более полного использования широкопояосности ОВ и увеличения объёма передаваемой информации используются технологии временного уплотнение каналов ( TDM) и спектрального уплотнения (WDM). Сочетание временного и спектрального уплотнения каналов позволит в перспективе получить скорости передачи информации порядка сотен Гбит/с .
Применение высокоскоростных СП позволяет повысить эффективность использования оборудования и оптического волокна, снизить стоимость канала связи и удовлетворить возрастающие потребности в создании быстродействующих сетей доступа и транспортных магистралей. Одним из основных параметров характеризующих эффективность системы передачи (СП) является её помехозащищённость. Помехозащищённость СП оценивают с помощью порога чувствительности фотоприёмного устройства (ФПУ). Порог чувствительности (ФПУ) - минимальная средняя мощность на приёме, при которой в заданной полосе частот сохраняется заданное отношение сигнал/помеха. В зависимости от порога чувствительности выбирается длина участка связи или максимальная скорость передачи. Уменьшение порога чувствительности позволяет увеличить длину участка связи или увеличить
скорость передачи информации и в конечном итоге повысить эффективность использования СП.
Применение высокоскоростных ВОСП требует создания принципиально новых устройств обработки информации. Многие проблемы еще не решены или их решение не оптимально. Основные из них изложены ниже.
1. При скоростях передачи 10 Гбит/с и выше электронную схему ФПУ
необходимо рассматривать как цепь с распределёнными параметрами. Поэтому
необходим новый подход к проектированию ФПУ , расчёту шумов ФПУ и
оптимизации порога порога чувствительности.
2. Применение волоконно-оптических усилителей (ВОУ) позволило
компенсировать потери в оптическом волокне (ОВ) и увеличить дальность
связи. Однако при использовании ВОУ возникает шум, связанный с усиленной
спонтанной эмиссией (УСЭ), который влияет на помехозащищённость СП.
Необходимо оценивать величину шума УСЭ и находить условия, при которых
этот шум минимален.
ВОУ характеризуются неравномерной спектральной характеристикой усиления. Если в СП со спектральным уплотнением каналов используется несколько оптических усилителей, необходимо устройство, выравнивающее характеристику усиления.
3. При скоростях передачи 10 Гбит/с и выше главным фактором
ограничивающим произведение скорости передачи на длину участка связи (BL)
является не затухание ОВ, а его дисперсия. Дисперсия приводит к уширению
импульсов ч, как следствие, к межсимвольным помехам. Для увеличения длины
участка связи или скорости передачи необходимы устройства компенсирующие,
дисперсию ОВ.
4. В СП со спектральным уплотнением для объединения или выделения каналов
используются оптические мультиплексоры / демультиплексоры, основными
элементами которых являются оптические фильтры. Одной из основных
проблем является реализация таких фильтров, которые позволили бы
минимизировать перекрестные искажения между каналами и хорошо согласовывались с ОВ.
Цель работы
Основная цель диссертации - исследование и разработка методов повышения помехозащищённости ВОСП, определение порога чувствительности оптического приёмного устройства, исследование факторов ухудшающих порог чувствительности ФПУ и повышение помехозащищённости ВОСП методами оптимизации и синтеза отдельных устройств по критерию минимизации шумов.
Для достижения поставленной цели необходимо разработать единый подход к оценке помехозащищённости СП и расчёту порога чувствительности. Исследовать источники шумов в вышеперечисленных устройствах, разработать методы и схемы включения, минимизирующие эти шумы. Методами синтеза и анализа разработать принципиальные схемы устройств по критерию минимизации шумов.
Методы исследования
При исследовании порога чувствительности фотоприёмного устройства
использовались методы теории линейных электрических цепей, для оценки
шумов использовалась гауссова аппроксимация распределения помех.
При рассмотрении распространения света по ОВ использовалась теория
распространения ЭМВ в диэлектрических волноводах.
При исследовании фильтров на основе волноводных структур использовалась
теория связанных мод в связанных волноводах и теория связанных мод в
структурах с распределённой обратной связью (РОС).
Научная новизна
Новыми являются следующие результаты.
-
По критерию минимизации шумов синтезирована входная цепь ФПУ. Для улучшения согласования между фотодиодом (ФД) и предварительным усилителем (ПУ) предложено включить согласующее звено. Найдено аналитическое выражение для значения согласующей индуктивности. В результате согласования по шумам, отношение сигнал/помеха, приведённое ко входу предварительного усилителя, возросло на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора и его шумовых параметров.
-
Для систем передачи STM 16 и выше предложено рассматривать ФПУ как цепь с распределёнными параметрами. Такой подход позволяет не только правильно рассчитать шумы схемы, но и предпринять меры для компенсации влияния междуэлектродных и монтажных емкостей. Для приёмного оптического модуля СП STM-64 был рассчитан порог чувствительности, исследованы факторы его ухудшающие, синтезирован согласующий четырёхполюсник, позволяющий согласовать сопротивление ФД и входное сопротивление ПУ в широкой полосе частот. Тем самым устранялись шумы вызванные отражением от входа обратной волны. Согласующий четырёхполюсник представлен как односторонне нагруженный ФНЧ 4 порядка, включающий в себя паразитные элементы ФД. Включение согласующего четырёхполюсника позволило на 15 - 20 % снизить порог чувствительности приёмного оптического модуля.
-
Предложена методика расчёта порога чувствительности для ВОСП с волоконно-оптическими усилителями (ВОУ), для трёх схем включения ВОУ. Показано, что при включении ВОУ в качестве предусилителя необходимо использовать узкополосный оптический фильтр, рассмотрены требования к спектральной характеристики фильтра, исследованы факторы ухудшающие помехозащищённость СП и предложены методы оптимизации порога чувствительности.
4. Предложен новый подход к синтезу оптических фильтров на основе
связанных волноводов. Для уменьшения уровня боковых лепестков, было
предложено ввести зависимость коэффициента связи к от продольной координаты. В результате синтеза оптических фильтров на основе связанных волноводов по заданной зависимости коэффициента связи k(z) уровни боковых лепестков удалось снизить на 10 дБм ( от -10 до -20 дБм), что делает пригодным использование таких фильтров в СП со спектральным уплотнением каналов. Также была найдена функция физического разделения волноводов D(z), позволяющая реализовать заданную k(z). Аналогичные результаты были получены для оптических фильтров на основе Брэгговской дифракционной решётки (ДР), сформированной в сердцевине ОВ.
-
Рассчитаны отношение/сигнал помеха на выходе оптического п - канального оптического демультиплексора и проигрыш в пороге чувствительности из-за межканалышх помех для разных схем демультиплексоров и оптических фильтров, используемых в составе демультиплексоров. Исследовано влияние разноса между оптическими несущими соседних каналов и ширины спектральной линии источника излучения на отношение сигнал / помеха и проигрыш в пороге чувствительности.
-
На основе перестраиваемого фильтра МЦ была предложена принципиальная схема оптического корректора (ОК), сглаживающего спектр усиления ВОУ. Особенность схемы позволяет изменять характеристику пропускания корректора при изменении прикладываемого напряжения, что делает предложенную конструкцию достаточно универсальной. Неравномерность усиления ВОУ после включения ОК не превышала 1-2 дБ в полосе 1.53-1.56 мкм.
-
Для компенсации дисперсии ООВ на длине волны 1.55 мкм, предложено использовать устройство компенсации дисперсии на основе Брэгговской дифракционной решётки с линейно изменяющимся периодом, сформированной в сердцевине ОВ. Рассчитаны параметры устройства: полоса пропускания, величина создаваемой дисперсии ( противоположной по знаку дисперсии ОВ),
функция изменения периода ДР по длине устройства, разработаны схемы включения устройства.
Практическая ценность работы
1. На основе компьютерного моделирования разработана математическая
модель фотоприёмного устройства . Программа позволяет имитировать
прохождение сигнала через линейный оптический тракт и устройства ФПУ. На
основе Фурье анализа получены спектральная и импульсная характеристика
сигнала на выходе ФПУ. Производится расчёт оптимального коэффициента
лавинного умножения (М) (для ЛФД), допустимого, с точки зрения увеличения
шума, сопротивления обратной связи ( RoC), порога чувствительности ФПУ при
разных начальных условиях: скорость передачи, хроматическая дисперсия ОВ,
тип фотодиода, транзистора входного каскада, тип фильтра.
2. Получены численные значения интегралов Персоника для различных типов
фильтров, учитывающие влияние функции передачи ФПУ на порог
чувствительности.
3. На основе синтеза по критерию минимизации шумов получены
принципиальные схемы устройств согласующих фотодиод и предварительный
усилитель.
На основе результатов диссертационной работы созданы 2 компьютерные лабораторные работы используемые в учебном процессе и программы по расчёту порога чувствительности ФПУ на языке Турбо Паскаль, применяемые в курсовом проектировании.
Реализация и внедрение результатов исследования
1. На основе результатов диссертационной работы создана программа в среде Mathcad б.О Plus, моделирующая работу ФПУ. Программа позволяет при заданной скорости передачи найти форму импульса на входе ФПУ, имитирует работу основных узлов ФПУ: предусилителя, усилителя-корректора, фильтра. Рассчитываются функция передачи ФПУ для двух схем ПУ: с
трансимпедансным усилителем (ТИУ) и интегрирующим усилителем (ИУ), при использовании полевого или биполярного транзисторов, двух типов фильтров: "приподнятый косинус" и ФНЧ Баттерворта п - го порядка. Рассчитываются интегралы Персоника, характеризующие влияние функции передачи ФПУ и формы входной посылки на порог чувствительности. Рассчитывается порог чувствительности ФПУ для всех комбинаций элементов и схем для случая p-i-n ФД и лавинного фотодиода. Рассматриваются спектральные плотности шумов, оптимизационные алгоритмы по уменьшению порога чувствительности ФПУ. С помощью Фурье анализа вычисляются импульсные характеристики фильтров и форма импульса на выходе ФПУ.
2. Проведён эксперимент по повышению помехозащищённости приёмного
оптического модуля ВОСП " Сопка - 3 " ( ИКМ - 480/5 ). В схему ПУ была
добавлена согласующая индуктивность, теоретически обоснованная в разделе
1.2. В результате на 2 дБ можно понизить уровень входного сигнала при
прежней вероятности ошибки ( 10"9).
3. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс.
Апробация работы
Результаты, полученные в работе на разных этапах её выполнения докладывались и обсуждались на НТК " Информатика и проблемы телекоммуникаций ", г. Новосибирск 1995 - 1998 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Структура диссертации
Диссертация состоит из Введения, 4-х глав, Заключения, библиографии и приложений. Основной текст содержит 150 страниц текста и 62 иллюстрации.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Методика расчёта порога чувствительности ФПУ
-
Оптимизация порога чувствительности методами синтеза и анализа цепей
-
Методика расчёта порога чувствительности оптической системы передачи, использующей оптические усилители
-
Оптимизация порога чувствительности ВОСП с ВОУ методами анализа схем включения и требований к устройствам
-
Синтез оптических фильтров на базе связанных волноводов и дифракционных решеток показателя преломления
Расчёт оптимального значения согласующей индуктивности
В первой главе диссертации исследуются источники шумов в ФПУ, найдено аналитическое выражение для порога чувствительности ФПУ с p-i-n ФД и ЛФД, найден оптимальный коэффициент лавинного умножения, вычислены интегралы Персоника для случая фильтра типа "приподнятый косинус" и ФНЧ с аппроксимацией по Баттерворту, рассмотрены условия при которых порог чувствительности минимален. В разделе 1.2, в результате синтеза по критерию максимального отношения сигнал/помеха, реализовано звено улучшающее согласование между ФД и ПУ. При включении согласующей индуктивности отношение сигнал/помеха приведённое ко входу усилителя улучшалось на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора входного каскада усиления. В разделе 1.3 исследовалось ФПУ для СП STM - 64. В результате синтеза было реализовано звено, позволяющее в широкой полосе частот согласовать сопротивление ФД с входным сопротивлением ПУ. Для исследуемой схемы был найден порог чувствительности приёмного устройства и рассмотрены факторы его ухудшающие.
Во второй главе исследовалась помехозащищённость ВОСП, содержащих ВОУ. Рассматривалось влияние схемы включение ВОУ в линейный тракт на порог чувствительности ФПУ. В разделе 2.1 были рассмотрены шумы ВОУ связанные с усиленной спонтанной эмиссией, в разделе 2.2 - 2.3 были исследованы схемы включения ВОУ в линейный тракт и найден порог чувствительности, требования к полосе пропускания оптического фильтра, включение которого позволяет увеличить помехозащищённость, влияние числа каскадов ВОУ на порог чувствительности.
Третья глава посвящена исследованию помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов и разработке оптических устройств, позволяющих повысить помехозащищённость. В разделах 3.3 - 3.4 исследовались перекрёстные помехи возникающие в демультиплексорах на основе фильтров Фабри-Перо и Маха-Цендера при разделении световых потоков. Для обеих схем было найдено отношение сигнал/помеха (S/N) на выходе фильтра и проигрыш в пороге чувствительности (Р) из-за межканальных помех. Для фильтра ФП была исследована зависимость отношения S/N и Р от разноса между оптическими несущими соседних каналов, для фильтра МЦ зависимость отношения S/N и Р от ширины спектра сигнала.
На основе перестраиваемого фильтра МЦ была предложена принципиальная схема оптического корректора (ОК), сглаживающего спектр усиления ВОУ.
В разделах 3.5, 3.6 исследовались возможности синтеза фильтров на основе связанных волноводов и брэгговских дифракционных решёток показателя преломления с переменным по длине устройства коэффициентом связи мод.
В разделе 3.7 исследовалась возможность коррекции формы оптических импульсов. Для компенсации хроматической дисперсии были исследованы ДР показателя преломления с линейно изменяющимся периодом (ЛИП).
В четвёртйй главе разработана программа в среде Mathcad 6.0 Plus моделирующая прохождение сигнала по оптическому волокну и работу ФПУ. По заданным скорости передачи, форме импульса на выходе источника излучения, параметрам транзисторов и функции передачи ФПУ рассчитывается порог чувствительности, оптимальные значения сопротивления обратной связи и коэффициента лавинного умножения ЛФД, с помощью Фурье анализа рассчитываются спектральные и импульсные характеристики устройств, находится форма импульса на выходе ФПУ.
Расчёты в диссертационной работе производились на ЭВМ с помощью языка программирования Turbo Paskal и математических пакетов прикладных программ Mathcad 6.0 Plus и Mathcad 5.0 Plus. Вычисление определённых интегралов производилось в среде Mathcad, использующей численный алгоритм интегрирования Ромберга [14]. 1. Исследование помехозащищённости цифровых фотоприёмных устройств.
Шумы фотоприёмного устройства (ФПУ) вносят основной вклад в общий шум волоконнай-оптической системе передачи информации (ВОСП) и в основном определяют порог чувствительности системы передачи. Шумовые свойства полупроводниковых электронных приборов исследовались в работах [15-19]. Вопросам проектирования малошумящих предварительных усилителей (ПУ) и исследованию порога чувствительности приёмных устройств посвящены работы [20-22]. Классической является работа [23], в которой авторы Smith R.G., Personick S.D. всесторонне исследовали шумы возникающие в фотоприёмном устройстве с p-i-n фотодиодом и лавинным фотодиодом (ЛФД), биполярным и полевым транзистором, рассмотрели шумы связанные с уширеиием импульсов вследствие дисперсии оптического волокна, предложили универсальный математический аппарат для учёта влияния формы входной посылки, функции передачи ФПУ и фильтра на порог чувствительности приёмного устройства.
В работах [24 , 25] исследовалось совместное влияние дробового шума имеющего Пуассоново распределение и остальных шумов с Гауссовым распределением на порог чувствительности и характеристики ФПУ.
Исследованию шумов в интегральных фотоприёмных устройствах посвящены работы [26-28], а в работах [29-32] исследовались ФПУ с распределённым ПУ для высокоскоростных (В 1 Гбит/с ) систем предачи. Однако, шумовые характеристики фотоприёмных устройств для высокоскоростных систем передачи изучены недостаточно и слабо разработаны методы уменьшения шумов.
Включение ВОУ в линейный тракт
Волоконно-оптические усилители ( ВОУ ) представляют собой отрезок оптического волокна легированный ионами эрбия. ВОУ усиливают свет посредством индуцированной эмиссии. ВОУ можно представить как лазер не имеющий обратной связи. Инверсия населённости достигается с помощью лазера накачки, который включают с помощью направленного ответвителя. Обычно используется трёхуровневая схема накачки рис. 2.1 [46].
В результате поглощения фотонов накачки электроны примеси ( эрбия ) получают дополнительную энергию и перемещаются на более высокий энергетический уровень (уровень 3), затем они быстро релаксируют на уровень 2. Запасённая энергия используется для усиления сигнального луча индуцированным излучением.
Рассмотрим трёхуровневую гомогенную систему, с быстрым безизлучательным переходом электронов с уровня 3 на метастабильный уровень 2 . Будем считать что усиление спонтанной эмиссии и возбуждение уровня поглощения незначительны. Эффект возбуждения уровня поглощения наблюдался при накачке ВОУ видимым светом ( длина волны 650 нм ) . При использовании накачки с длинами волн 980 и 1480 нм этот эффект становится незначительным. Будем также считать что концентрация ионов эрбия однородна поперёк сердцевины ОВ. Для этих условий, концентрации носителей на уровнях 1,2,3 будут равны [47 ]: Ь - постоянная Планка , vc и vH - оптические частоты сигнала и накачки, ас -эффективное сечение поглощения и стимулированной эмиссии между уровнями 1 и 2 , описывающее свойства ионов Ег + в матрице стекла, ан - эффективное сечения поглощения между уровнями 1 и 3 [48], х - время жизни спонтанной эмиссии при переходе электронов с уровня 2 на уровень 1.
Мощность сигнала и накачки изменяется по длине усилителя из-за поглощения, стимулированной эмиссии и спонтанной эмиссии. Если вся мощность стимулированной эмиссии собрана в моде сигнала и потери мощности накачки в ОВ обусловлены только поглощением межу 1 и 3 уровнями и если пренебречь вкладом спонтанной эмиссии, то можно записать: dPc / dz = Ос ( N2 - N1 ) и dPн / dz = + aH Ni . С учётом (2.1) запишем скоростные уравнения:
Уравнения (2.3) записаны с учётом того, что сигнал распространяется в положительном направлении, в то время как накачка может совпадать с направлением сигнала или распространяться в противоположенном направлении в зависимости от знака .
Для того чтобы найти зависимость мощности сигнала от мощности накачки поделим (2.3а) на (2.36): (2.5) Мощность сигнала на выходе ОВ легированного эрбием зависит от длины волокна. При малой длине доля накачки, поглощаемая волокном, невелика и усиление тоже будет небольшим, при слишком длинном ОВ возникает участок накачиваемый ниже порога, в нём происходит поглощение самого сигнала. Если длина ОВ оптимизирована для максимального усиления сигнала, то мощность накачки на выходе волокна равна : Рн вых = Рн (нас) , это соответствует тому dPc / dPH =О (2.4) . Обозначив коэффициент усиления сигнала 0 = PCвbIX/PCBX и используя (2.2) можно переписать формулу (2.5) : ( G - 1 )Рс вх VH / VC + РН вых { ІП( G ) Он / Ос + 1п(Рн вх / Рн вых) } = Рн вх - Рн вых . (2.6)
Формула (2.6) даёт нам зависимость коэффициента усиления сигнала от мощности накачки на входе ОВ при оптимизированной с точки зрения усиления сигнала длине волокна. Строгая математическая модель эрбиевого усилителя рассматривается в работе [49], в работе [50] исследуется оптимальная длина ОВ легированного эрбием, в работах [46, 48, 54-56] рассматриваются конструкции оптических усилителей, схемы и конфигурации накачки, в работе [57] исследуются схемы включения ВОУ в линейный тракт, в работах [51 - 53] исследуются шумы вызванные усиленной спонтанной эмиссией ( УСЭ ).
Несмотря на то, что шумовые свойства ВОУ в последнее время исследованы достаточно подробно, в литературе недостаточно освещены вопросы влияния шумов ВОУ на помехозащищённость системы передачи, нет методики для учёта совместного влияния шумов ФПУ и ВОУ на порог чувствительности, недостаточно изучены вопросы влияния оптической фильтрации и каскадирования числа оптических усилителей на помехозащищённость ВОСП. Данная глава посвящена исследованию этих вопросов.
Коэффициент усиления ВОУ на единицу длины определяется как: g=Gc(N2 - Ni) . Коэффициент усиления зависит от частоты входного сигнала, от длины усилителя, от длины волны накачки, от легирующих примесей входящих в состав сердцевины ОВ. Всё это приводит к тому, что спектр усиления имеет сложную форму с характерным пиком в области 1530 - 1535 им и плавным участком в диапазоне 1540 - 1560 нм. Разность усиления на длинах 1530 и 1550 нм в типичном усилителе составляет 10 дБ при максимальном усилении 40 дБ. Математически коэффициент усиления g(cй) можно получить путём вычисления среднего в зависимости от распределения частоты атомного перехода: где go - максимальное значение оптического коэффициента усиления, обусловленное уровнем накачки усилителя, со - оптическая частота входного сигнала сОа - частота атомного перехода Рс и Рнас - оптическая мощность усиливаемого сигнала и мощность насыщения, Тг - время релаксации диполя (типовое значение 0.1 пс ).
Распространение импульса по одномодовому ОВ
Исследуем 8 - канальный оптический демультплексор на базе 1 8 направленного ответвителя и полосовых фильтров ФП. Длина волны оптической несущей первого канала - 1544 нм, восьмого - 1558 им, разнос между оптическими несущими соседних каналов 2 нм. Для того чтобы на заданной длине волны пропускание фильтра было максимально, необходимо, чтобы выражение стоящее под знаком синуса (3.30) равнялось т 7t, где т = 1, 2, 3 ... к. Перепишем это условие;
Расстояние между максимумами пропускания должно превышать полосу многоканального сигнала ( 14 нм ). Запишем выражения для расстояния между максимумами пропускания (3.32);
Оценим помехозащищённость на выходе фильтра ФП. Основной вклад в межканальные помехи будут вносить соседние с подверженным влиянию каналы. Разнос между оптическими несущими А составляет 2 нм (рис. 3.3), R=0.95 ; центральная длина волны пропускания равна 1546 нм, расстояние между соседними максимумами пропускания фильтра 18 нм, ширина полосы пропускания по уровню половины мощности АХ = 0.3 нм. На вход фильтра поступает 8 гауссовых импульсов, оптическая несущая 2-го канала совпадает с центральной длиной волны фильтра. В расчётах будем учитывать помехи от 7 и 3 каналов.
Отношение S/N рассчитывалось для ширины спектра гауссова импульса 0.2 им по уровшю Me ( 0.17 нм по уровню половины мощности ) и составило 20.5 дБм для разноса между оптическими несущими соседних каналов А = 2 нм.
Определим проигрыш в пороге чувствительности оптического приёмного устройства за счёт межканальных помех: P = 10lg[Р2(Л) 1{Р2(Л) - i\l\(Л)2+Р3(Л)2}] (3.38) Проигрыш в пороге чувствительности составил Р = 0.04 дБм. Расчёт отношения S/N и Р приведён в Приложении 3. На рис. 3.4 приведена зависимость отношения S/N и проигрыша в пороге чувствительности Р от расстояния между оптическими несущими соседних каналов Л, рассчитанные по формулам (3.37) и (3.38).
В этом разделе исследовались оптические фильтры на основе проходного резонатора Фабри-Перо. В пункте 3.3.1 предложена схема оптического демультиплексорач на основе фильтров ФП и рассчитаны основные параметры фильтров, в разделе 3.3.2 для разработанного оптического демультиплексора, найдено отношение сигнал/помеха на выходе фильтра и проигрыш в пороге чувствительности Р из-за межканальных помех, в зависимости от расстояния между оптическими несущими каналов. Отношение сигнал/помеха составило 20.3 дБм для разноса между оптическими несущими соседних каналов А = 2 им и соответствующий проигрыш в пороге чувствительности 0.04 дБм .
В основе работы интерференционных фильтров (рис.3.5) лежит интерферометр Маха - Цендера (МЦ) с несбалансированными плечами. Он образован двумя параллельными волноводами, связанными на входе и выходе У - направленными ответвителями. Фильтр МЦ выполняется по интегральной технологии или, реже, на оптических волокнах. Интегральная технология изготовления интерферометра МЦ хорошо освоена промышленностью ( из этой же структуры изготавливаются электрооптические модуляторы ) [76].
Световой поток поступающий на вход фильтра делится пополам в 3 - дБ направленном ответвителе (НО). За счёт разницы оптических путей величина относительного сдвига фазы на выходе фильтра будет зависеть от длины волны. Рассмотрим структуру изображенную на рис. 3.5. Напряжённость электрического поля на входе фильтра Евх . Напряженности электрического поля в плечах 1 и 2 равны:
Таким образом, интенсивность света на выходе фильтра зависит от длины волны. Спектральная характеристика имеет периодичный характер, расстояние между максимумами пропускания сигнала можно определить из следующих соображений: выражения под косинусом для соседних максимумов пропускания должны быть кратны п и отличаться на 1. Например, п(1] - 12) / Яі = 1 и п(1\ - І2 )/ Я2=2. Исходя из этого, расстояние между соседними максимумами Я — Я]=ЛЯ будет равно:
Кроме рассмотренной выше, может применяться и другая конструкция фильтра МЦ. Разницу длин оптических путей можно создавать не физически, а делая разным показатель преломления плеч. Если пі и п2 показатели преломления плеч 1 и 2 , то пользуясь аналогичными рассуждениями, можно записать значение интенсивности на выходе такого фильтра :
Такая конструкция часто бывает более технологична, чем фильтр с разной физической длиной плеч. Изменение показателя преломления можно получить, добавляя легирующие примеси в материал волновода. Другой путь - создавать фильтр на электрооптическом материале, показатель преломления которого зависит от приложенного напряжения ( например, Ті:Іл№Юз). В таком фильтре можно перестраивать центральную длину волны пропускания.
В отличие от фильтра ФП, на основе интерферометра МЦ невозможно реализовать полосовой фильтр с достаточно узкой полосой пропускания и большим расстоянием между максимумами пропускания. Однако, периодичный характер спектральной характеристики фильтра МЦ позволяет на его основе создавать разветвлённую последовательную структуру для многоканального мультиплексирования / демультиплексирования. Исследуем 8 канальный демультиплексор (ДМП), использующий фильтры МЦ с разной физической длиной плеч (рис. 3.5). Пусть оптические несущие каналов равны соответственно: 1547 нм, 1548 нм, ..1554 нм. Расстояние между несущими 1 нм.
Синтез фильтров на основе ДР с изменяющимся по длине устройства коэффициентом связи
Программа "Моделирование ФПУ" позволяет найти форму импульсов на входе и выходе ФПУ, рассчитать и построить функцию передачи ФПУ, частотные и импульсные характеристики электрических фильтров. В программе исследуются две схемы включения предварительного усилителя (ПУ): схема с интегрирующим усилителем (IA) и схема с трансимпедансным усилителем (TIA), два типа транзисторов : полевой (FET) и биполярный (ВТ), два вида фильтров: "приподнятый косинус" и ФНЧ Баттерворта 7 -го порядка.
Порог чувствительности рассчитывается для случая использования p-i-n ФД и лавинного фотодиода (ЛФД). В программе вычисляются интегралы Персоника, которые позволяют оценить влияние входной посылки и функции передачи ФПУ на порог чувствительности, рассчитываются спектральные плотности шумов и строится график их зависимости от частоты. Исследуется зависимость величины эквивалентного шумового тока от входного сопротивления ПТ, это позволяет определить требования к минимально допустимой величине сопротивления обратной связи Roc . Также в программе исследуется зависимость эквивалентного шумового тока от величины коэффициента лавинного умножения М.
При вычислении интегралов Персоника, в отличие от оригинальной работы [23], учитывалась частотная характеристика корректора, функция передачи входной цепи ФПУ, частотная зависимость коэффициентов усиления транзисторов. В работе [23] использовался несколько идеализированный подход: предполагалось, что корректор полностью компенсирует неравномерность частотной характеристики ФПУ в полосе пропускания.
При вычислении интегралов Персоника, импульсной характеристики фильтров, формы импульсов на выходе ФПУ использовался универсальный подход, который позволяет рассчитывать все вышеперечисленные характеристики для других форм входного сигнала, функции передачи ФПУ, при использовании других видов фильтров - достаточно только ввести новые аналитические выражения, которые описывают спектр сигнала и частотные характеристики устройств.
Фактически данная программа является испытательным стендом при проектировании ФПУ ВОСП для скоростей передачи ниже 1 Гбит/с. Основные уравнения и выражения используемые в программе предложены и обоснованы в Главах 1 и 3
На рис. 4.1 изображена схема математической модели программы. По заданным скорости передачи ( В ), длины ООВ ( Ь ), удельной дисперсии ( В ) и ширине спектральной линии источника излучения (АА-) , рассчитывается форма импульса на входе ФПУ ( E t)). HJy) преобразование Фурье от Em(1), у = Г / В нормированная частота. Нпу(у) функция передачи ФД и ПУ зависящая от схемы включения ПУ, Нк(у) - функция передачи усилителя-корректора, Нр(у) - частотная характеристика фильтра.
Далее, определяется функция передачи ФПУ: Н(у)=Нпу(у)Нк(у) Нр(у)/Нш(у) и вычисляются интегралы Персоника (її , 12 , 13 ). Далее, следует расчёт шумовых токов различных источников шумов для различных схем включения и типов транзисторов, и расчёт порога чувствительности ФПУ при использовании p-i-nФД.
В следующем пункте анализируются зависимость спектральной плотности шумов S(y) от частоты. Затем вычисляется порог чувствительности ФПУ при использовании ЛФД и из уравнения iPnp /dM = О Определлется оптимальный коэффициент лавинного умножения.
В заключении, с помощью обратного преобразования Фурье от HF(у), находится импульсная характеристика фильтра hp(t) и форма импульса на выходе ФПУ: hout(t) = у{ Нш(у) НЦу) Hk(y) HF(у) } , где: у - обратное преобразование Фурье. Работа программы проиллюстрирована на примере ФПУ с ПТ, с предварительным усилителем включённым по схеме ИУ, усилителем -корректором и фильтром типа " приподнятый косинус ". Программа написана в среде Mathcad 6.0 plus, алгоритм и текст программы приведены в Приложении 7 и 8. в диссертационной работе исследовались методы повышения помехозащищённости высокоскоростных цифровых ВОСП .
В первой главе анализируются факторы ухудшающие помехозащищённость ВОСП, вводится математический аппарат для расчёта порога чувствительности ФПУ. В процессе работы получены следующие результаты.
1. По критерию максимального отношения сигнал/помеха для заданной частотной характеристики синтезирована входная цепь ФПУ. Для улучшения согласования между фотодиодом (ФД) и предварительным усилителем (ПУ) предложено включить согласующее звено. Найдено аналитическое выражение для значения согласующей индуктивности. В результате согласования по шумам, отношение сигнал/помеха, приведённое ко входу предварительного усилителя, возросло на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора и его шумовых параметров.
2. Для приёмного оптического модуля СП 8ТМ 64 был рассчитан порог чувствительности, исследованы факторы его ухудшающие, синтезирован четырёхполюсник, позволяющий согласовать сопротивление ФД и входное сопротивление ПУ в широкой полосе частот. Тем самым, устранялись шумы, вызванные отражением от входа обратной волны. Согласующий четырёхполюсник представлен как односторонне нагруженный ФНЧ 4 порядка, включающий в себя паразитные элементы ФД. Включение согласующего четырёхполюсника позволило на 15 - 20 % снизить порог чувствительности приёмного оптического модуля.
Во второй главе анализировалась помехозащищённость ВОСП с волоконно-оптическими усилителями (ВОУ) при использовании основных схем включения ВОУ в линейный тракт. предложена методика расчёта порога чувствительности ВОСП для трёх схем включения ВОУ. Показано, что при включении ВОУ в качестве предусилителя необходимо использовать узкополосный оптический фильтр, рассмотрены требования к спектральной характеристики фильтра. Исследованы факторы ухудшающие помехозащищённость СП и предложены методы для минимизации порога чувствительности.
Третья глава посвящена исследованию помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов и разработке оптических компонентов линейного тракта ВОСП, повышающих помехозащищённость. К этим устройствам относятся: оптические фильтры, используемые для ограничения спектра усиленной спонтанной эмиссии ВОУ и для разделения оптических сигналов разных длин волн; оптические корректоры для сглаживания спектра усиления ВОУ; оптические компенсаторы дисперсии на базе Брэгговских дифракционных решёток. Были получены следующие результаты.
