ВОЛС-Федоров / ВОЛС _Юдин, 2005_

Квантовый шум фотоприемника определяется средним квадратом флуктуации выходного тока

i2	=2 e I	Ф	G F ∆f ,	(4.4)
КВ

где IФ = n e G , а G − среднестатичтическая величина усиления на временном интервале, равном длительности оптического импульса.

4.4. Характеристики фотодетекторов

Наиболее важными параметрами и характеристиками фотодетекторов, какоптическихприемниковВОЛС, являютсяследующие: токовая чувствительность, квантовая эффективность, коэффициент внутреннего усиления (для ЛФД), темновой ток, быстродействие, порог чувствительности, спектральная характеристика чувствительности, рабочее напряжение смещения, пробивное напряжение, размеры фоточувствительной поверхности и др.

Токовая чувствительность ST (A/Bт) определяется отно-

шением величины фототока к мощности оптического излучения, падающего из световода на фоточувствительную поверхность оптического детектора. Учитывая узкую спектральную полосу излучения оптических источников (СИД и лазеров), применяемых в ВОЛС, токовую чувствительность фотодетекторов обычно понимают в монохроматическом смысле.

Квантовый выход материала фотодетектора η − это безразмерная величина, показывающая число первичных пар электрондырка, образующихся при поглощении света в расчете на один фотон (η≤1). Квантовый выход связан с токовой чувствительностью простым соотношением

η≈1.24	ST (A/Вт)	.	(4.5)
	λ(мкм)

Отсутствие оптической засветки фотодетектора не означает отсутствие тока на его выходе. Даже при полном затемнении некоторый выходной ток (его называют темновым) все же

	протекает через нагрузку фотодетектора. В германиевых при-
	борах этот темновой ток может измеряться миллиамперами. В
	кремниевых и других приборах темновой ток значительно
	меньше (но никогда не равен нулю!).
	О внутреннем усилении фототока в ЛФД при лавинном
	размножении фотоэлектронов говорилось в разделе 4.3.5.
	Быстродействие детекторов отражает скорость реакции
	их на меняющееся внешнее воздействие, например, на корот-
	кие оптические импульсы. Немгновенный отклик фоточувст-
	вительных приборов свидетельствует об их инерционности.
	Эквивалентная электрическая схема как p-i-n-, так и лавинного
	фотодиодов, облучаемыхсветом, выглядит одинаково (рис. 4.8).
				На эквивалентной схеме фотодиода:
			R	iФД = P SТ – величина тока генератора,
				RФД и CФД – дифференциальное со-
	iФД	RФД	СФД
				противление обратносмещенного пе-
				рехода в фотодиоде и его барьерная
		Рис. 4.8		емкость, R – последовательное сопро-
				тивление. Дифференциальное сопро-

тивление RФД − очень большое, и разряд конденсатора CФД через него можно не учитывать. Сопротивление R, напротив, составляет несколько Ом, поэтому в p-i-n-фотодиоде именно оно определяет быстродействие прибора (τФД = R CФД), время нарастания и спада импульсов фототока, а значит, предельную частоту модуляции оптического излучения. Последняя соответствует уменьшению мощности фототока до половинного уровня по сравнению с мощностью, характерной для приема немодулированного оптического излучения.

В ЛФД процесс размножения электронов отрицательно влияет на быстродействие. Поэтому качество ЛФД оценивается комбинированным параметром − добротностью:

QЛФД = G ∆f.

(4.6)

Обычно QЛФД ~ 10…100 ГГц.

Порог чувствительности фотодетекторов определяется как мощность модулированного по интенсивности оптического

80

81

излучения (среднеквадратического значения первой гармоники iФД) равная мощности шума (среднеквадратическому значению темнового тока шума) в заданной полосе на частоте модуляции. Пороговую мощность, приведенную к единичной полосе частот, называют эквивалентной мощностью шума РШ ЭКВ

(Вт/Гц1/2). Последняя определяет минимальную оптическую мощность на входе фотоприемника, для которой отношение сигнал/шум на выходе равно единице:

PВХmin = 2 e iT G F(G).

(4.7)

Спектральной характеристикой чувствительности фото-

детектора называют диапазон длин волн оптического излучения, впределах котороготоковая чувствительность ST(λ) уменьшается не более чем на 10% от своего максимального значения. Зависимости ST(λ) приводились на рис. 4.5.

При проектировании ВОЛС, в конечном счете, оптический приемник выбирается так, чтобы требуемые отношение сигнал/шум или вероятность ошибки реализовались при минимальном уровне принимаемого оптического излучения. По данному критерию приемник на основе ЛФД имеет преимущество перед p-i-n-детектором. Однако если учесть, что достоинства лавинного фотодиода проявляются лишь при хорошей стабилизациирабочей температурыирабочегонапряжения смещения (рис. 4.9), если также принять во внимание, что само рабочее напряжение на один-два порядка выше, чем у p-i-n-детек-

	тора, к тому же ЛФД – менее на-
	дежный и более дорогой прибор,	G	0°С 25 50 75
	то все это объясняет, почему более	100
	широкое применение в ВОЛС на-
	шли оптические приемники, ис-
	пользующие p-i-n-фотодиоды.	10
	Отечественные p-i-n-фотоде-
	текторы с рабочей длиной волны			UСМ, В
	λ= 0.85,1.3,1.55 мкм, характеризу-	0
	ются токовой чувствительностью		100	200
		0
	ST = 0.3...0.6 А/Вт; монохроматиче-		Рис. 4.9

ская токовая чувствительность для ЛФД − ST ≥50…100 А/Вт; темновой ток − iT = 5…100 нА; постоянная времени прибора −

τФД = 0.1…20 нс.

Технические параметры фотодетекторов зарубежного производства имеют следующие типичные значения: эквивалентная мощность шума − РШ ЭКВ = 10−10…10−14 Вт/ Гц ; коэффициент внутреннего усиления − G = 10…600; быстродейст-

вие − τФД = 0.08…50 нс.

4.5. Электрические усилители фототока

Информационный сигнал имеет минимальный уровень на выходе фотодетектора. В дальнейшем он может быть неоднократно усилен (в нескольких усилительных каскадах), но для качества восстановления сигнала особенно важен первый усилитель – его называют, как и в радиоприемниках, предусилителем. К предусилителям предъявляются трудно совместимые требования. С одной стороны, он должен вносить в усиливаемый сигнал минимальные собственные шумы, чтобы не ухудшить соотношение сигнал/шум на выходе (в аналоговом приемнике) или не увеличивать ошибку (в цифровом приемнике). С другой стороны, предусилитель должен обладать широкой частотной полосой, чтобы не ограничивать скорость передачи информации. К сожалению, второе требование трудно совместить с первым.

В ВОЛС нашли применение два варианта построения предусилителя: с высоким входным импедансом (рис. 4.10,а) и с трансимпедансным входом (рис. 4.10,б).

При высоком сопротивлении нагрузки (рис. 4.10,а) входное сопротивление может быть увеличено. Поскольку большое RН уменьшает тепловой ток (а, значит, и тепловой шум), чувствительность приемника повысится. Однако полоса пропускания приемника ∆fПР ~ (RН C)−1 и, следовательно, уменьшается с ростом RН. Если чувствительность приемника не очень важна, можно уменьшить RН (схема с низким входным импедансом) и за счет этого повысить полосу пропускания усилителя.

82

83

RН

hυ	RН С KУС	hυ	С KУС
	а		б

Рис. 4.10

Схема предусилителя (рис. 4.10,б) позволяет совместить широкую полосу пропускания с высокой чувствительностью. В этой схеме сопротивление нагрузки включено в цепь обратной (отрицательной) связи, которое уменьшает входное сопротивление в число раз, равное коэффициенту усиления КУС усилителя. Тогда радиочастотная полоса пропускания приемника

составит ∆fПР ~ КУС (RН C)−1 и, несмотря на большое RН, может быть широкой.

Типичная зависимость ошибки приема цифровых сигналов от уровня мощности, поступающей на вход приемника, для разных скоростей передачи данных приведена на рис. 4.11.

4.6. Регенераторы и усилители оптических сигналов

Из-за неизбежного ослабления оптического излучения при распространении по световоду в протяженных ВОЛС нередко возникает ситуация, когда сигнал уменьшается до предельно допустимого уровня после прохождения некоторого расстояния от оптического передатчика, причем до оптического приемника свету предстоит прой-

10−5 ошибка, BER

10−6

10 25 50 60 Мбит/c

10−7

10−8

10−9

10−10

10−11	P,
10−12

−38 −37 −36 −35 −34 −33 −32 −31 дБм

Рис. 4.11

84

ти еще значительный путь. Поэтому, чтобы дать оптическому сигналу возможность дойти до приемника, имея уровень, превышающий порог чувствительности последнего, сигнал нужно усилить (и может быть неоднократно) в промежуточных пунктах между началом и концом ВОЛС.

Эту задачу можно решить двумя способами: по первому способу между оптическим передатчиком и приемником в разрыв световода вводится оптический усилитель; по второму способу усилитель заменяется оптическим ретранслятором, в состав которого включен регенератор цифрового сигнала. Первый способ хорош тем, что осуществляет усиление модулированного оптического сигнала, не производя его детектирование. В многоканальных ВОЛС один такой оптический усилитель одновременно обслуживает все каналы, число которых может составлять несколько десятков. Понятно, что при этом все искажения в сигнале, накопленные на пути от оптического передатчика, сохраняются, и усиливается не только сигнал, но и сопутствующие шумы. Во втором случае усиливается только информационный (электрический) сигнал. Для этого оптический сигнал детектируется. Выделенный электрический сигнал усиливается и восстановленная импульсная последовательность (собственно информация) вновь используется для модуляции оптического излучения лазера или светоизлучающего диода, которое вводится в световод и передается до следующего оптического ретранслятора или до оптического приемника. Если в световоде путем мультиплексирования организована многоканальная передача информации с разделением каналов по частоте (т.е. по длине волны оптического излучения), то отдельный регенератор требуется на каждый канал.

4.6.1. Оптические усилители

Оптический усилитель может быть установлен в одном из трех пунктов ВОЛС (рис. 4.12). Когда оптический усилитель располагаетсяна выходеоптического передатчика, вна-

85

1	4	5		2	6	7
	У		У	У		У	3

1 − оптический передатчик; 2 − световод; 3 − оптический приемник; 4…7 – три варианта размещения оптического усилителя по длине ВОЛС

Рис. 4.12

чале ВОЛС (позиция 4 на рис. 4.12), он называется мощным усилителем (бустером) и эквивалентен выходному усилителю мощности в мощных радиопередатчиках. Установленный в пунктах 5,6 ВОЛС (рис. 4.12), усилитель называют линейным, а непосредственно перед приемником − в конце ВОЛС (позиция 7) − предусилителем.

Собственно усилитель может иметь разные принцип действия и устройство. Известны усилители на лазерном диоде, на эффекте Рамана, в виде отрезка световода, обладающего свойством квантового усиления света. В первом из них используется лазерный диод, в котором устранена положительная обратная связь по оптическому излучению. Диод перестает быть оптическим автогенератором (лазером) и превращается в оптический усилитель. Как и в лазере, в нем применяется вырожденный полупроводниковый материал (например, арсенид галлия с гетероструктурой), инжекционная накачка, но нет настроенного оптического резонатора. Диодный оптический усилитель может работать на любой длине волны в диапазоне от 0.85 мкм до1.6 мкм, и вэтомегодостоинство. Но он "шумит" (в том числе, вследствие спонтанных переходов в активном p-n-перехо- де), чувствителен к поляризации вводимого в него излучения, характеризуется заметными потерями на ввод усиленного оптического излучения в световод, имеет перекрестные помехи между оптическими каналами, разнесенными по длине волны, когда они одновременно передаются по световоду (WDM-

ВОЛС: Wavelength Division Multiplexing).

86

В рамановском усилителе используется эффект нелинейного рассеяния фотонов модулированного оптического излучения на молекулах материала, из которого изготовлен световод. При классическом (рэлеевском) рассеянии света молекулами вещества, рассеянные фотоны имеют частоту, равную частоте падающего света. Вынужденное (рамановское) комбинационное рассеяние (ВКР) является нелинейным и наблюдается при высокой интенсивности падающего излучения. ВКР сопровождается появлением стоксовой и антистоксовой компонентами вторичного излучения. Рассеяние встоксову составляющуюболее вероятно и протекает по схеме:

hυПАД =hυРАС +WФН,

(4.7)

где υПАД,υРАС − частоты падающего и рассеянного излучения,

WФН − энергия звукового кванта (фонона). Стоксово излучение распространяется как вдоль падающей оптической волны, так и навстречу ей. Сонаправленная стоксова волны имеет бóльшую мощность, и интенсивность этой волны может увеличиваться на много порядков, создавая условия для оптического усиления. Чтобы добиться последнего, в световод через направленный ответвитель вводится накачка (λНАК ≈0.98 или 1.46 мкм). Вынужденные переходы возбужденных электронов с верхних на нижележащие уровни порождают фотоны, когерентные с падающей оптической волной (λПАД ≈1.55 мкм). Рамановский или ВКРусилитель является устройством с распределенным эффектом усиления.

Сосредоточенный оптический усилитель, построенный на основе отрезка активного световода, нашел самое широкое применение из рассмотренных трех вариантов, так как свет здесь усиливается в самом световоде. Для достижения эффекта усиления материал световода легируется атомами какого-либо редкоземельного элемента: эрбия, гольмия, неодима, самария, таллия, иттербия. Подходит любой из них, и тогда усилитель пригоден для работы на длинах волн от 0.5 мкм до 3.5 мкм. Но наилучшие результаты получены с эрбием, поэтому волоконный оптический усилитель с эрбием применяется чаще других.

87

В английском языке используется аббревиатура EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier – волоконный усилитель, легированный эрбием. Главное преимущество данного усилителя заключается в том, что наилучшие его характеристики достигаются при работе в третьем окне прозрачности (λ= 1.55 мкм). Напомним, что в современных световодах излучение с такой длиной волны имеет наименьшие потери. Это в значительной степени способствовало развитию систем WDM.

Типичная блок-схема волоконного оптического усилителя с эрбием приведена на рис. 4.13.

Усилитель действует следующим образом. Оптическое излучение накачки, вырабатываемое GaAs-лазером, на длине волны λНАК = 0.98 мкм (может применяться также накачка на длинах волн0.6…0.7 мкм) вводится в мультиплексор3, где смешивается с ослабленным сигнальным излучением, подлежа-

щим усилению (λПАД = 1.55 мкм). В активную секцию 4 они поступают совместно. Там энергия излучения накачки расходует-

ся на возбуждение ионов эрбия Er3+, создавая и поддерживая инверсию населенности на рабочем переходе, у которого λРАБ = λПАД. Слабое сигнальное излучение, взаимодействуя с ионами эрбия, стимулирует индуцированные переходы последних в менее возбужденные состояния, в результате чего рождаются фотоны с длиной волны λРАБ, равной сигнальной, и когерентные с сигнальными фотонами. Усиленное таким образом излучение, несущее информацию, продолжает свое распространение по световоду в сторону оптического приемника. Оп-

1	2	3	λПАД	4	λПАД	5
слабое излучение		от лазера	λНАК		λРАБ	к оптическому
от оптического		накачки,				приемнику,
передатчика,	λНАК = 0.98 мкм					λПАД = 1.55 мкм
λПАД = 1.55 мкм

1,5 − оптические вентили; 2 − пассивный световод; 3 − мультиплексор; 4 – активный световод − усилитель

Рис. 4.13

тические вентили 1 и 5 осуществляют развязку усилителя на входе и выходе. Схема, показанная на рис. 4.13 (сонаправленная накачка), не является единственной. Применяются варианты усилителя с противонаправленной (рис. 4.14,а), двунаправленной (рис. 4.14,б) и отражательной (рис. 4.14,в) накачкой.

В отражательной схеме позицией 1 обозначен оптический циркулятор, выполняющий функцию развязки, позицией 5 − отражатель. Выбор длины волны излучения накачки важен, так как λН = 0.98 мкм обеспечивает минимальные собственные шумы усилителя, близкие к квантовому пределу. Накачка с длиной волны λН = 1.48 мкм уступает предыдущей по шумам, затовыигрываетпоквантовойэффективности. Поскольку EDFA-усилители доминируют в ВОЛС, остановимся под-

1	λПАД		4 λПАД	3	λПАД 2		5
слабое излучение		λНАК λРАБ		от лазера		λРАБ	к оптическому
от оптического				накачки,			приемнику,
передатчика,			λНАК = 1.48 мкм				λПАД = 1.55 мкм
λПАД = 1.55 мкм				а

слабое излучение
от оптического				λПАД
передатчика,
λПАД = 1.55 мкм	2	1	λПАД	4 λРАБ	1
3	λНАК 1		λНАК 1	λНАК 2
от лазера
накачки,

λНАК 1	= 0.98 мкм	б

λПАД		к оптическому
	2	приемнику,
λРАБ		λПАД = 1.55 мкм
		3
λНАК 2 от лазера
		накачки,
λНАК 2 = 1.48 мкм

слабое излучение
от оптического
передатчика,	2	3	4	5
λПАД = 1.55 мкм
1
к оптическому		от лазера
приемнику,		накачки

λПАД = 1.55 мкм

в

Рис. 4.14

88

89

робнее на их характеристиках.			−8	дБм
Зависимость реализуемого в
них усиления от длины волны			−13
оптического излучения пока-			−18
зана на рис. 4.15.			−23
Видно, что полоса эрби-			−28
евых усилителей		составляет	−33
примерно 40 нм. Усилители с			−38
сонаправленной	и	противо-
направленной накачкой обес-			−43	1.525	1.545	1.565 мкм
печивают обычно		усиление
					Рис. 4.15	λ
порядка "плюс"	16 дБ, внося

при этом шум на уровне 5…6 дБ (в режиме усиления малого сигнала). Использование двунаправленной накачки усиливает выходную мощность на "плюс" 26 дБм. Повышенное усиление дают многокаскадные EDFA-усилители, в которых для снижения выходного коэффициента шума первый каскад усилителя следует выполнять по схеме с сонаправленной накачкой (см. рис. 4.13). Различие технических характеристик усилителей, вызванное выбором длины волны излучения накачки, показано в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Сравнение характеристик EDFA-усилителей, соответствующих разным волнам накачки

	Длина волны накачки	1.48 мкм	0.98 мкм
	Диапазон длин	1.47…1.49 мкм	0.979…0.981 мкм
	волн накачки
	Мощность накачки	50…200 мВт	10…20 мВт
	Источник	лазер	лазер
	излучения накачки	InGaAsP/InP	InGaAs
	Эффективность	5 дБ/мВт	10 дБ/мВт
	накачки
	Коэффициент шума	5.5 дБ	3.0…4.5 дБ
	Выходная мощность	+20 дБм	+5 дБм
	насыщения

В качестве материала активного световода помимо кварцевого стекла применяется фтористое стекло. Активное фтористое волокно обеспечивает более равномерную характеристику усиления, особенно в коротковолновом диапазоне длин волн − 1.525…1.540 мкм. Это свойство полезно в многоканальных WDM-ВОЛС. Однако в таком световоде из-за высоких потерь не удается применить для накачки волну с λН = 0.98 мкм, которая, как отмечалось выше, обеспечивает более низкий уровень собственных шумов усилителя. Кварцевый же световод допускает использовать для накачки любую длину волну (и 0.98 мкм, и 1.48 мкм).

4.6.2. Регенерация цифровых оптических сигналов

Как отмечалось в начале раздела 4.6, регенерация означает повторную генерацию оптических сигналов, модулированных информационной последовательностью так, как в передатчике ВОЛС. Однако, в отличие от оптического передатчика ВОЛС, на излучатель которого подается идеальный информационный сигнал, на вход регенератора поступает смесь шумов, помех и очень слабого оптического излучения, информационная часть которого искажена. Рассмотренные в разделе 4.6.1 оптические усилители усиливают все компоненты данной смеси одновременно. Это просто, удобно, достаточно дешево, но плохо с точки зрения качества передачи информации. Регенератор действует иначе: в нем электрический информационный сигнал отделяется от оптического, избавляется от искажений, усиливается и ему придается форма информационного сигнала точно такая, какая была на выходе оптического передатчика ВОЛС. Если этим восстановленным сигналом промодулировать излучение лазерного источника, размещенного в регенераторе, то полученный цифровой оптический сигнал ничем не будет отличаться от того, какой формируется на входе в ВОЛС. В этом – суть регенерации.

Структурная схема оптического ретранслятора, в который регенератор входит составной частью, изображена на рис. 4.16.

90

91

от оптического								к оптическому
передатчика	1	2	3	4	5	6	7	приемнику
λС	Линейный усилитель					Устройство		λС
					регенерации

Рис. 4.16

Ретранслятор включает в себя два функциональных блока: линейный усилитель и устройство регенерации. В первом блоке входной оптический сигнал детектируется (позиция 1 на рис. 4.16), усиливается (позиция 2), проходит устройство коррекции частотной характеристики (позиция 3) и фильтруется (позиция 4). В устройстве регенерации решающее устройство (позиция 5) формирует последовательность двоичных единиц и нулей в битовых позициях, в регенераторе (позиция 6) она кодируется и преобразуется в информационную цифровую последовательность, которая модулирует лазер (позиция 7). Достоинствами регенератора является не только то, что он почти точно копирует цифровые оптические сигналы, но и то, что в международных волоконно-оптических сетях SDH и SONET (Synchronous Optical Network) он обеспечивает доступ к систе-

ме управления, эксплуатации и технического обслуживания, определяет статус свой и битового потока, предоставляя сетевому оператору возможность мониторинга и технического сервиса. Оптический усилитель такими функциями естественно не наделен.

4.6.3. Ошибки регенерации

Почему импульсная последовательность на выходе регенератора не повторяет в точности импульсы, модулирующие оптическое излучение на входе ВОЛС? Есть две группы причин, приводящих к ошибкам. Первая группа включает в себя причины внешние, накопленные до регенератора, вторая – внутренние, присущие самому регенератору.

Как выяснилось выше, нет идеальных ВОЛС. Есть реальные линии, параметры которых отличаются от идеальных. На-

92

пример, интервал времени, отводимый для передачи одного
бита информации (двоичного "нуля" или двоичной "единицы",
рис. 2.34), из-за нестабильности таймера случайным образом
изменяется во времени, что приводит к фазовому дрожанию
сигнала. Также от бита к биту изменяется уровень "нуля" и
"единицы". Это является следствием нестабильности работы
оптического излучателя в передатчике ВОЛС и его шумов. Ес-
ли в идеальной системе передачи отношение энергии сигнала,
соответствующего двоичному "нулю", к энергии сигнала-"еди-
ницы" всегда равно нулю, то в реальной ВОЛС оно отлично от
нуля, да еще и непостоянно во времени. Далее, из-за дисперсии
все оптические импульсы уширяются, вследствие чего энергия
из одного бита переходит во временной интервал соседнего би-
та. По этой причине возникает межсимвольная помеха. Напри-
мер, при передаче двоичной комбинации "0−1−0−0" кодом
NRZ и кодом Миллера (рис. 2.36) к регенератору сигнал может
поступить (если не учитывать другие виды ошибок, перечис-
ленных выше) с временными диаграммами, качественно изоб-
раженными на рис. 4.17.
Перечисленные причины ошибок находятся вне регене-
ратора. Если по ВОЛС кодом NRZ (рис.4.18,б) передаются дан-
ные, представленные на рис. 2.36, то результат действия внеш-
них по отношению к регенератору причин может иллюстриро-
ваться временной диаграммой показанной на рис. 4.18,в.
Внутри регенератора находятся свои причины ошибок.
Сигнал, подобный показанному на рис. 4.18,в (в электрическом
						виде),	поступает на
данные		0	1	0	0	решающее устройс-
	в идеале					тво. Задача послед-
NRZ-						него – сравнить уро-
код	с учетом					вень принятого сиг-
	дисперсии					нала	с	некоторым
код	в идеале					пороговым уровнем,
						который		устанавли-
Миллера	с учетом					вается	в	соответст-
	дисперсии					вии сжелаемойчув-
	Рис. 4.17
				93

а

данные 0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

бNRZ

вна входе

ретранслятора

Рис. 4.18

ствительностью устройства регенерации. Операция сравнения происходит в определенный момент времени в пределах каждого битового интервала. Этот момент задается стробом – короткимимпульсом, генерируемымстроб-генератором. Как всякое электронное устройство он работает не идеально, поэтому позиция стробимпульса на временной оси подвержена случайным изменениям. На рис. 4.19,а моменты появления стробимпульса в идеальной ВОЛС отмечены штриховыми линиями, перпендикулярными оси времени. Реальные моменты появления строба указаны стрелками. Результаты принятых решений приведены на рис. 4.19,б, где знаком (*) выделены биты с ошибочным выводом. Современный стандарт требует, чтобы подобные ошибки случались не чаще, чем одна на миллиард бит.

Неточность синхронизации, приводящая к случайным временным смещениям момента прихода в решающее устройство стробирующего импульса, не единственная ошибка из числа внутренних. Собственные шумы регенератора, накладываясь на шумы внешнего происхождения, усугубляют нестационарные изменения сигнала и приводят к тому, что короткий выброс сигнала над порогом как раз в момент стробирования

а	уровень
	порога
б	на выходе	0	0*	1*	0	1	1	0	1*	0	0*
	регенератора
				Рис. 4.19
					94

закончится регистрацией "1", тогда как в данном бите передавался "0", и наоборот, случайный провал под пороговый уровень может быть принят за "0", хотя бит соответствует "1". Наконец, взаимные помехи между символами, отмеченные выше, как один из внешних причин ошибок, проявляется и внутри регенератора.

Сильное влияние на качество работы решающего устройства оказывает полоса пропускания линейного усилителя. Дело в том, что при широкой полосе увеличивается энергия шума, приходящего на вход регенератора и повышающего вероятность принятия ошибочного решения. Если полоса пропускания усилителя согласована со спектром принимаемых импульсов, то широкая полоса (коротких импульсов) приводит еще к одному недостатку: ужесточается требование к синхронизации работы решающего устройства. Из этих соображений полосу пропускания усилителя следует уменьшать. Однако узкая полоса приведет к возрастанию межсимвольных помех из-за уширения импульсной характеристики и соответственно отклика усилителя на отличный от нуля сигнал, который выйдет за пределы собственного битового интервала и перекроет соседний интервал. Поэтому задача выбора полосы пропускания усилителя носит компромиссный характер.

4.6.4. Квантовый предел фотодетектирования

Существует ли предел чувствительности оптического приемника?

На этот вопрос легко ответить положительно. Ведь, если за время наблюдения приемник регистрирует один фотон (т.е. измеряет энергию, равную одному кванту), то это как раз и означает, что приемник достиг наивысшей чувствительности, так как фотон неделим, и зарегистрировать энергию меньше одного кванта невозможно. Однако сказанное справедливо, если на вход приемника попадает "чистое излучение" с частотой ω, (внешних шумов нет), сам приемник не шумит, и регистрация излучения понимается в смысле подсчета числа фотонов. Та-

95

кой прием называется некогерентным: приемник выполняет функцию счетчика фотонов и не реагирует на фазу излучения. Если уметь избавляться от внешних шумов, то чувствительность оптического приемника – счетчика фотонов − будет ограничиваться только его собственным шумом и в отсутствии последних достигать абсолютного предела: один фотон за время наблюдения.

При когерентном приеме приемное устройство должно не только измерять амплитуду оптического сигнала (ежесекундно считать число фотонов), но и одновременно фиксировать его фазу. Квантовая теория света и ее основополагающий принцип (соотношение неопределенности Гейзенберга) накладывают на подобный способ приема оптического излучения фундаментальное ограничение вида:

∆n ∆φ≥½

(4.8)

где ∆n – неопределенность подсчета числа фотонов светового излучения; ∆φ – неопределенность измерения фазы излучения. Соотношение неопределенности (4.8) приводит к тому, что при когерентном приеме на входе приемника появляется дополнительный квантовый шум. Поэтому для когерентного оптического приемника понятие предельной чувствительности усложняется. На вопрос − "каково минимальное число фотонов способен регистрировать когерентный приемник за время наблюдения?" − следует задать встречный вопрос − "а с какой неопределенностью данный приемник может отслеживать фазу излучения?". Если эта неопределенность оценена и составляет ∆φ, то точнее, чем с разбросом

∆n≥0.5/∆ϕ

(4.9)

когерентный приемник неспособен зарегистрировать сигнал. В когерентном режиме работают аналоговые приемники, в некогерентном режиме – цифровые.

Учитывая дискретную структуру света, квантовый предел цифрового фотодетектирования следует понимать, как ми-

нимальное число фотонов, принимаемых в течение временного интервала одного бита, которое на выходе приемника обеспечивает требуемую вероятность ошибки.

Если за некоторое время на фоточувствительную площадку оптического детектора поступает в среднем световая энергия WПР, то при квантовом выходе η (4.5) среднее число генерируемых пар электрон-дырка равно

	N =η	WПР	=η WПРλ .	(4.10)
		hω
			2π hc

Поскольку каждая новая пара электрон-дырка генерируется независимо от предыдущей, процесс их рождения носит пуассоновский характер, так что каждый оптический импульс создает число пар, распределенных вблизи среднего значения по закону Пуассона. Вероятность того, что количество пар элект- рон-дырка равно k, определяется выражением

P(k / N )=e−N N k /k!.

(4.11)

В идеальной ВОЛС шум будет обусловлен только пуассоновским отклонением числа электронно-дырочных пар от среднего значения. При равновероятной передаче "0" и "1" ошибочный прием, вызванный пуассоновской статистикой, будет происходить с вероятностью

PE =0.5 (e−N N 0 /0!+0)=0.5 e−N ,

(4.12)

где первое слагаемое в скобках есть ошибка приема "1", а второе – ошибка приема "0". Задаваясь стандартным требованием РЕ< 10−9, находим, что N должно быть более 20-ти, а падающая на фотоприемник оптическая энергия

WПР >20 hω/η=40π hc/(ηλ).

(4.13)

Если лазерный передатчик ВОЛС излучает в первом окне прозрачности световода (λ=0.9 мкм), то энергия одного фотона составляет hω = 1.38 эВ, и на приемнике с полосой В должна поступать средняя мощность

96

97

PПР =0.5 WПР B >10 hωB/η,

(4.14)

которая как раз отражает квантовую оценку чувствительности приемника. В расчете на один бит принимаемой информации даже в лучшем случае (η= 1) на фотодетектор должно поступить 10 фотонов света. В реальных ВОЛС из-за действия шумов минимальный требуемый поток фотонов на два порядка больше.

4.7. Балансные соотношения для ВОЛС

При проектировании ВОЛС пользуются балансными соотношениями, учитывающими два главных показателя эффективности линии(дальности и скорости передачи информации).

С увеличением протяженности ВОЛС сигнал ослабляется из-за потерь в световоде в различных компонентах линии. При заданных значениях мощности оптического передатчика и чувствительности оптического приемника произвольное наращивание длины линии связи может привести к энергетическому дисбалансу (рис. 4.20,а). В этом случае прием сигнала не возможен из-за дефицита энергии сигнала.

Если длина ВОЛС слишком мала (рис. 4.20,б), то сигнал приходит к приемнику, имея большой избыток энергии. Приемник переходит в нелинейный режим насыщения, что отрицательно сказывается на качестве передачи информации.

Нормальным является случай (рис. 4.20,в), когда уровень оптического сигнала, приходящего на вход приемника, лишь

уровень сигнала		уровень сигнала		уровень сигнала
навходеВОЛС		навходеВОЛС		навходеВОЛС
дефицит				энерг-й
энергии	порог	избыток		запас
			порог	порог
		энергии
длинаВОЛС	а	длинаВОЛС	б	длинаВОЛС
велика		мала		в норме в

Рис. 4.20

незначительно (на 3…6 дБ) превышает порог чувствительности последнего, создавая энергетический запас, который гарантирует надежную работу ВОЛС в расчете на старение ее компонентов в течение нормативного срока службы. В реальной линии связи сигнал ослабляется не только в волокне, но и во всех компонентах: устройствах ввода-вывода, в соединителях, разветвителях, переключателях и т. п. На рис. 4.21 изображена примерная диаграмма энергетического баланса для ВОЛС простейшего типа.

Потери в ВОЛС часто выражаются в децибелах, отнесенных к мощности в 1 мВт (дБм). Поэтому значение 0 дБм соответствует уровню мощности в 1 мВт, "минус" 3 дБм= 0.5 мВт, "минус" 10 дБм = 0.1 мВт и т. д. Выраженный в децибелах перепад уровня сигнала на выходе оптического передатчика и порога чувствительности приемника называется энергетическим потенциалом линии связи. Суммарные потери в ВОЛС, подсчитанные от входного до выходного сечения и выраженные в дБм не должны превышать величины ее энергетического потенциала.

Временной баланс предусматривает учет времени срабатывания всех компонентов ВОЛС для того, чтобы обеспечить требуемую скорость передачи информации. Все компоненты ВОЛС инерционны. Прохождение через них оптических или электрических сигналов сопровождается задержками послед-

	устройство ввода		соединитель	устройство вывода
	оптический	волокно1		волокно 2	оптический
	передатчик				приемник

уровень	энергетический
сигнала
потери в	потенциал
	линии
волокне 1
потери в	запас
волокне 2
0	порог	z
	чувствительностиприемника

Рис. 4.21

98

99