- •1.1 Характеристика диапазона электромагнитных волн для оптической связи
- •1.2 Характеристика физических сред для передачи оптических сигналов
- •Устранение “водяного” пика
- •1.3 Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов
- •1.4 Структурная схема оптической системы передачи
- •2.1 Мультиплексирование плезиохронное pdh
- •2.2 Мультиплексирование синхронное sdh
- •2.3 Мультиплексирование асинхронное atm
- •2.4 Мультиплексирование отн
- •2.5 Мультиплексирование Ethernet
- •2.5.1 Ethernet стандарта EoT itu-t g.8010 в оптической системе передачи
- •2.5.2 Схемы мультиплексирования Ethernet
- •3.1 Требования к излучателям
- •3.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
- •3.2.1 Конструкции светодиодов для оптической связи
- •3.2.2 Принцип действия светодиодов
- •3.2.3 Основные характеристики светодиодов
- •3.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики
- •3.3.1 Определение лазера
- •3.3.2 Определение резонатора для лазера
- •3.3.3 Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров
- •3.3.4 Классы лазерных устройств для систем оптической связи
- •3.4 Согласование источников оптического излучения с физическими средами
- •3.4.1 Соединение источника с волокном
- •3.4.2 Линзовые соединения
- •3.4.3 Вывод излучения в атмосферу
- •3.4.4 Перестройка частоты излучения лазера
- •4.1. Определение модуляции и классификация видов
- •4.2. Прямая модуляция
- •4.2.1 Модуляционные характеристики светоизлучающего диода
- •4.2.2 Модуляционные характеристики полупроводникового лазера
- •4.2.3 Шумы модуляции лазера
- •4.2.4 Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения сид и ппл
- •4.2.5 Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули
- •4.3. Внешняя модуляция оптического излучения
- •4.3.1 Электрооптическая модуляция
- •4.3.2 Электроабсорбционная модуляция
- •4.3.3 Модулятор Маха – Зендера
- •4.3.4 Акустооптическая модуляция
- •4.4. Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции
- •5.1 Определение фотодетектора. Виды фотодетекторов. Требования к фотодетекторам
- •5.2 Фотодиоды конструкции p-I-n. Принцип действия, основные характеристики
- •5.3 Лавинный фотодиод. Конструкция, принцип действия, основные характеристики. Преимущества лфд
- •5.4 Фотодиоды конструкции tap
- •5.5 Шумы фотодиодов. Эквивалентная шумовая схема фотодиода
- •6.1 Методы фотодетектирования (прямое детектирование и детектирование с преобразованем). Требования к фотоприемным устройствам
- •6.2 Фотоприемные устройства с прямым детектированием
- •6.3 Фотоприемные устройства детектирования с преобразованием
- •6.4 Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полоса пропускания
- •6.5 Оценка соотношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства
- •6.6 Особенности построения фотоприёмных устройств при использовании модуляции nrz-dpsk
- •7.1 Принцип оптического усиления. Классификация и назначение усилителей
- •7.2. Полупроводниковые оптические усилители. Конструкции, принцип действия, основные характеристики
- •7.3 Волоконно-оптические усилители на основе редкоземельных элементов. Конструкция, принцип действия, основные характеристики
- •7.4 Оптические усилители на основе эффекта рассеяния
- •8.1 Способы построения линейных трактов оптических систем передачи
- •8.2 Требования к линейным сигналам одноволновых оптических систем передачи
- •8.3 Линейные коды оптических систем передачи. Классификация кодов и их характеристики
- •8.4 Алгоритмы формирования сигналов в линейных кодах восп
- •8.4.1 Алгоритм формирования скремблированного линейного сигнала
- •8.4.2 Алгоритмы формирования линейных сигналов в классе кодов 1в2в
- •8.4.3.Алгоритмы формирования линейных сигналов в классе кодов nBmB
- •8.5 Проектирование линейных одноволновых трактов восп. Ограничения длины регенерационного участка
- •8.6 Требования к линейным трактам систем с многоволновой передачей
- •8.7 Проектирование линейных трактов многоволновой передачи. Ограничение длины участка регенерации и ретрансляции
- •8.9 Упреждающая коррекция ошибок в оптических системах передачи
- •9.1 Оптические разъемные соединители (коннекторы)
- •9.2 Соединительные розетки и адаптеры
- •9.3 Оптические аттенюаторы
- •9.4 Оптические кроссы
- •9.5 Оптические ответвители (разветвители)
- •9.6 Оптические изоляторы (вентили)
- •9.7 Оптические фильтры, мультиплексоры и демультиплексоры
- •9.8 Оптические циркуляторы
- •9.9 Компенсаторы дисперсии
- •9.10 Преобразователи длин волн
- •9.11 Оптические коммутаторы и маршрутизаторы
- •9.12 Фотонные кристаллы
- •10.1 Определение оптического солитона
- •10.2 Нелинейные оптические эффекты в стекловолокне и существование солитонов
- •10.3 Принципы построения солитонных волоконно-оптических систем передачи
4.3.2 Электроабсорбционная модуляция
В электроабсорбционных оптических модуляторах используется эффект Франца – Келдыша [24]. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводниках смещается в длинноволновую область оптических излучений. Для GaAs это смещение происходит при напряженности поля 1,3 x 10 5 В/см.
Наличие резкой границы полосы поглощения у прямозонных материалов при приложении электрического поля может привести к сильному изменению поглощения вблизи границы полосы. Для GaAs эта граница может быть сосредоточена около 0,9 мкм. Другие материалы выбирают для изготовления модуляторов на длине волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.
На рисунке 4.21 представлена конструкция одного из электроабсорбционных оптических модуляторов (ЭАБОМ) [75].
На рисунке 4.22 представлены характеристики поглощения ЭАБОМ и примерные зоны их применения при напряжениях от 0 до 105 В/см.
Рисунок 4.21 Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ
Рисунок 4.22 Характеристики поглощения в ЭАБОМ
Рисунок 4.23 Модуляционная характеристика ЭАБОМ
Глубина модуляции интенсивности излучения на выходе ЭАБОМ зависит не только от изменения a, но и от длины модулятора. Оценка изменения поглощающей способности приведена в [75]:
(4.23)
где при = 0.2, L 50 мкм, a = 5000 1/см может быть получено изменение прозрачности на 20 дБ.
ЭАБМ имеют малую инерционность и поэтому получили применение в высокоскоростных ВОСП на скоростях 10-40Гбит/с[26, 76]. Пример конструкции ЭАБОМ, совмещаемого с лазером РОС в единый модуль, приведен на рисунке 4.24.
Рисунок 4.24 Интегральная конструкция оптического модуля передачи (лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)
На рисунке 4.25 представлена фотография модуля передачи с ЭАБОМ.
Рисунок 4.25 Внешний вид модуля передачи с ЭАБОМ
На рисунке 4.26 представлена схема модуля с ЭАБОМ.
Рисунок 4.26 Компоненты модуля передачи с ЭАБОМ
4.3.3 Модулятор Маха – Зендера
Модулятор Маха – Зендера (в литературе встречается название Цендера и обозначение MZ) может быть отнесён к электрооптическим модуляторам. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов. Распределенная связь между световодами отсутствует, они играют роль фазового модулятора (рисунок 4.27).
В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый черезусилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 4.27) изменений нет.
В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 4.27) изменений нет.
Оптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением. В теории модулятора MZM определен принцип модуляции интенсивности оптического излучения. Амплитуду оптического поля на выходе MZM можно определить:
Рисунок 4.27 Модулятор Маха - Зендера
(4.24)
где и представляют амплитудные значения поля в двух волоноводных каналах общей оптической мощности , и представляют фазы полей в параллельных волноводах.
Выходная оптическая мощность MZM находится:
. (4.25)
Входная мощность делится на две составляющих, т.е. .
Коэффициент передачи оптической мощности в MZM представляется:
(4.26)
где . Для идеально сбалансированного MZM .
При этом собственные потери мощности не принимаются во внимание. Разность фаз определяется двумя составляющими:
при нулевом напряжении смещения и при ненулевом напряжении смещения.
Разность фаз зависит от длины параллельных волноводов MZM, изменения показателя преломления и коэффициента оптического фактора моды :
, (4.27)
где электрооптический коэффициент определяется:
, (4.28)
где электрооптический коэффициент, определяемый материалом, прикладываемое напряжение, расстояние между электродами с напряжением.
Через подстановку получено:
, (4.29)
где полуволновое напряжение.
Коэффициент передачи оптической мощности в MZM определяется:
. (4.30)
Соотношение между и нелинейно, что приводит к сложной зависимости коэффициента передачи от модулирующего напряжения.
Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы (V ) [2, 6]. На рисунке 4.28 приведен пример модуляционной характеристики, а в таблице 4.4 приведены примеры характеристик модуляторов MZ.
Рисунок 4.28 Пример модуляционной характеристики MZM
Спектр модулированного оптического сигнала в формате RZ представлен на рисунке 4.29.
Рисунок 4.29 Пример спектра оптического сигнала при модуляции Маха-Зендера на скорости передачи данных 40Гбит/с в формате RZ
На рисунке 4.30 представлен пример схемы модулятора Маха-Зендера, в котором реализуется подавление несущей частоты при кодировании в формате с возвращением к нулю (CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero)[121].
Таблица 4.4 Характеристики интегрально-оптических модуляторов Маха-Зендера
Характеристики модуляторов MZ |
Тип модулятора MZ |
||
1 |
2 |
|
|
Рабочая длина волны, нм |
1320 |
1550 |
|
Ширина полосы модуляции, ГГц |
3, 5,10,20 |
3, 5, 10,20 |
|
Напряжение модулирующего сигнала, В Для полос модуляции 3, 5, 10; 20 ГГц |
3.5; 4.8 |
4.5; 5.5 |
|
Напряжение смещения, В |
<20 |
<25 |
|
Оптическая мощность, мВт |
50 |
75 |
|
Вносимые потери, дБ |
<4.5 |
<4.5 |
|
Глубина модуляции, дБ |
>20 |
>20 |
|
Тип волокна |
SMF |
SMF |
|
Материальная основа |
LiNbO3 |
LiNbO3 |
|
Размер модулятора, мм |
77x35x13 |
77x35x13 |
|
Рисунок 4.30 Пример схемы высокоскоростного модулятора на основе модулятора Маха-Зендера
Пример формирования сигнала на выходе модулятора CS-RZ приведен на рисунке 4.31.
Рисунок 4.31 Формирование оптического модулированного сигнала CS-RZ при фазовой манипуляции логическими посылками 1 и 0
Из рисунков 4.30 и 4.31 видно, что следующие друг за другом логические 1 вызывают изменение фазы оптической несущей на 1800. Это приводит к подавлению в спектре модулированного сигнала оптической несущей волны (рисунок 4.32).
Рисунок 4.32 Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате CS-RZ
Для получения ещё более узкого спектра модулированного оптического сигнала в ВОСП-WDM (рисунок 4.34) используется схема формирователя с двумя ступенями (рисунок 4.33) модуляции. На первой ступени модулятором MZ#1 (в точке а) формируются импульсные посылки из непрерывного излучения одномодового лазера (рисунок 4.35). Эти посылки на второй ступени модулятора MZ#2 пропускаются на выход (точка b) по состоянию информационного сигнала, пропускаемого через фильтры нижних частот (LPF), в два плеча модулятора Маха-Зендера. Схема EXOR и 1Т создает формат RZ.
Рисунок 4.33 Схема формирователя сигнала DCS-RZ
В итоге преобразований оптического сигнала получен более узкий спектр и почти полное подавление оптической несущей частоты.
Рисунок 4.34 Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате DCS-RZ
Рисунок 4.35 Формирование оптического сигнала DCS-RZ (дуобинарный с подавленной несущей в формате RZ)