Программа повышения квалификации инженерных кадров российской федерации

1. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»Волоконные лазеры, волоконно-оптические и телекоммуникационные системы Программа повышения квалификации инженерных кадров российской федерации

2. Содержание курса • Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) • Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) • Активные устройства оптического тракта • Пассивные устройства оптического тракта

3. Передающие оптоэлектронные модули Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ) • Принципы построения, структура, конструктивное исполнение; • Система параметров для цифровых и аналоговых ВОСП; • Примеры принципиальных схем современных ПОМ; • Расчет основных характеристик; • Методы измерения основных параметров; • Особенности построения и анализа ПОМ для передачи сверхскоростных цифровых сигналов, сверхвысокочастотных аналоговых сигналов и многоволновых сигналов со спектральным разделением каналов; • Примеры современной продукции лучших мировых производителей и перспективных разработок. Передающие оптоэлектронные модули | 3| проф. Белкин М.Е.

4. Принципы построения ПОМ Традиционно в качестве задающего генератора используется лазерный или светодиодный излучатель, в качестве усилителя высокой частоты – лазерный либо волоконный усилитель. • малое ослабление волоконно-оптического тракта в 95% случаев позволяет обходиться без выходного усилителя Передающие оптоэлектронные модули | 4| проф. Белкин М.Е.

5. методы Модуляции в ПОМ • 3 системы модуляции света: • Прямая; • Внешняя; • Внутренняя. Более чем в 95% случаев в современных системах применяется система прямой модуляции Передающие оптоэлектронные модули | 5| проф. Белкин М.Е.

6. прямая модуляция интенсивности Варианты прямой (непосредственной) модуляции лазера аналоговым и цифровым сигналами. Аналоговый сигнал Цифровой сигнал Передающие оптоэлектронные модули | 6| проф. Белкин М.Е.

7. Задержка включения Лазера Время задержки включения: зmin– минимальное время задержки;э– время жизни носителей до рекомбинации;Imax– амплитуда импульса тока накачки;Iпор– значение порогового тока лазера. Для уменьшения времени задержкив передатчиках цифровых ВОСПиспользуется дополнительноесмещение постоянным током Iсм: Передающие оптоэлектронные модули | 7| проф. Белкин М.Е.

8. Устройство лазерного модуля Лазерный модуль передатчика цифровой ВОСП располагается в герметичном корпусе и помимо лазерного диода обычно содержит: • контрольный фотодиод, служащий датчиком схемы стабилизации мощности лазера; • терморезистор, служащий датчиком схемы стабилизации температуры лазера; • термоэлектронный микроохладитель на эффекте Пельтье, являющийся исполнительным элементом схемы термостабилизации. Структура Конструкция Передающие оптоэлектронные модули | 8| проф. Белкин М.Е.

9. Ввод оптического излучения По технологическим соображениям для ввода излучения в волокно при производстве лазерных модулей используется самый простой способ с помощью одной микролинзы. Для повышения эффективности ввода конец волокна оплавляется в виде полусферы. Для обеспечения эффективность ввода в одномодовый световод порядка 30%, смещение в поперечном направлении не должно превышать 0,7мкм. Реально эффективность ввода излучения в одномодовый световод получается 20-25%, тогда как при стыковке с помощью двух микролинз – 40…50%. Передающие оптоэлектронные модули | 9| проф. Белкин М.Е.

10. Функциональная схема ПОМ Передающие оптоэлектронные модули | 10| проф. Белкин М.Е.

11. Передающие оптоэлектронные модули Схема лазерного драйвера со стабилизацией мощности излучения по цепи обратной связи. Параллельная схема лазерного драйвера. Вариант схемы лазерного драйверас независимой регулировкой амплитуды импульса и тока смещения. Передающие оптоэлектронные модули | 11| проф. Белкин М.Е.

12. требования к мощности ПОМ Интервальная характеристика – Аналоговой ВОСП - АВОСП – Цифровой ВОСП – ЦВОСП Передающие оптоэлектронные модули | 12| проф. Белкин М.Е.

13. модуляция ПОМ АВОСП • Для уменьшения нелинейных искажений рабочая точка Io должна выбираться в середине линейного участка ватт-амперной характеристики. • Для минимизации нелинейных искажений передаваемого сигнала минимальный ток модуляции лазера Imin должен превышать его пороговый ток Iпор, что приводит к существенному уменьшению глубины модуляции. В аналоговых ВОСП глубина модуляции является критическим параметром, от нее зависят отношение сигнал/шум, нелинейные искажения и, в конечном итоге, протяженность линии передачи и пропускная способность системы. Глубина модуляции Передающие оптоэлектронные модули | 13| проф. Белкин М.Е.

14. коэффициент использования • Коэффициент использования полосы пропускания- важный параметр системы связи, напрямую связанный с ее пропускной способностью. • Полоса пропускания элементной базы ВОСП может достигать единиц ГГц. • При прямой модуляции оптического излучения аналоговым информационным сигналом коэффициент использования получается на уровне десятых долей процента. • Для повышения коэффициента использования полосы применяют частотное разделение каналов (ЧРК): • по одному волокну передается большое число информационных каналов, каждый на своей поднесущей. • В передатчике многоканальной аналоговой ВОСП модуляция осуществляется в два этапа: • информационные сигналы модулируют по амплитуде, частоте, фазе каждый свою поднесущую; • поднесущие суммируются и комплексный радиосигнал модулирует по интенсивности оптическое излучение. • При этом глубина модуляции на один канал mi должна уменьшаться и обычно определяется как: ,где N – число передаваемых каналов. Передающие оптоэлектронные модули | 14| проф. Белкин М.Е.

15. Нелинейные искаженияаналоговых ПОМ Основным источником которых считается нелинейность ватт-амперной характеристики лазерного диода. • Нелинейность при передаче многоканального сигнала с частотным разделение каналов оценивается в терминах коэффициентов интермодуляционных искажений второго (ИМИ2) и третьего порядков (ИМИ3). Метод расчета. • Ряд Тейлора ватт-амперной характеристики лазера: • Выходной ток • Считая, что мощность полезного оптического сигнала, модулированного поднесущей i–го канала, ΔРеi=Ii(dPe/dI) и глубина модуляции на канал mi=Ii(dPe/dI)/Pe0одинаковые для всех каналов, можно рассчитать коэффициенты ИМИ. А именно, ИМИ2, за счет взаимодействия поднесущих двух каналов с частотами i и j: , где • Аналогично ИМИ3: , где • Обычно величина глубины модуляции подбирается экспериментально коэффициентом интермодуляционных искажений на выходе фотоприемного устройства Передающие оптоэлектронные модули | 15| проф. Белкин М.Е.

16. шум лазерного диода в ПОМ АВОСП В аналоговой ВОСП необходимо учитывать относительный шум интенсивности лазерного излучения (RIN). Источником RIN является спонтанное излучение лазера: где Ре0 – средняя мощность излучения; δРе– мощность шума оптического излучения. Универсальной мерой устранение отражений является использование оптического изолятора Величина отражения FPR оценивается с помощью простой формулы: , дБ где N1 – коэффициент ввода лазерного излучения в световод; А – погонные потери в волоконно-оптическом тракте, 1/км; ℓ – длина волоконно-оптического тракта, км; Го – модуль оптического коэффициента отражения: Передающие оптоэлектронные модули | 16| проф. Белкин М.Е.

17. Особенности аналоговых ПОМ Специфика в построении передающих оптоэлектронных модулей аналоговых ВОСП состоит в необходимости использования узлов электрического и оптического согласования. Вариант реализации узла электрического согласования Схема лазерного модуля типа 1612Р производства фирмы ORTEL, США Уровни отражения в системе при коэффициенте ввода N1= 0,5 Передающие оптоэлектронные модули | 17| проф. Белкин М.Е.

18. Состав ПОМ аналоговой ВОСП Как и в цифровых ВОСП: • узел термостатирования; • узел стабилизации мощности. Для повышения линейности передатчика аналоговой ВОСП в лазерном драйвере применяют 3 способа коррекции нелинейных искажений: • Введение предыскажений; • Коррекция с обратной связью; • Коррекция с прямой связью. Передающие оптоэлектронные модули | 18| проф. Белкин М.Е.

19. Введение предыскажений В передаваемый сигнал электронными методами вводят предыскажения, обратные тем, которые при модуляции должен внести оптический излучатель • Предыскажения вносятся с помощью последовательных резистивно-диодных цепочек, количество которых определяется требуемым динамическим диапазоном линеаризации. • Недостаток - практическая невозможность подстройки вносимых искажений в процессе эксплуатации передатчика Передающие оптоэлектронные модули | 19| проф. Белкин М.Е.

20. Коррекция с обратной связью Часть оптического излучения отводится при помощи оптического разветвителя и принимается дополнительным фотодиодом. • Ток фотодиода усиливается и вычитается из модулирующего тока i. • Результирующий ток i' управляет оптическим излучателем, получая таким образом отрицательную оптоэлектронную обратную связь. • Можно получить существенное уменьшение второй и третьей гармоник, однако недостатком его является задержка в цепи обратной связи Передающие оптоэлектронные модули | 20| проф. Белкин М.Е.

21. Коррекция с прямой связью Дает наилучшие результаты. • Способ принципиально дает очень высокое (до 70 дБ) подавление второй гармоники передаваемого сигнала • Для получения такого уровня подавления требуется использование основного и дополнительного источников излучения с идентичными характеристиками, что трудно реализовать в связи с технологическим разбросом. Передающие оптоэлектронные модули | 21| проф. Белкин М.Е.

22. Приемные оптоэлектронные модули Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) • Принципы построения, структура, конструктивное исполнение; • Система параметров для цифровых и аналоговых ВОСП; • Примеры принципиальных схем современных ПРОМ; • Расчет основных характеристик; • Методы измерения основных параметров; • Особенности построения и анализа ПРОМ для передачи сверхскоростных цифровых сигналов, сверхвысокочастотных аналоговых сигналов и многоволновых сигналов со спектральным разделением каналов; • Примеры современной продукции лучших мировых производителей и перспективных разработок. Приемные оптоэлектронные модули | 22| проф. Белкин М.Е.

23. Структурная схема пРОМ Обобщенная структурная схема ФПУ, пригодная как для цифровых, так и для аналоговых ВОСП • ФДМ – фотодиодный модуль. На входе приемника излучения используют фотодиод pin-структуры либо лавинного типа; • Предварительный усилитель – для обеспечения максимального отношения сигнал/шум на выходе ФПУ; • Главный усилитель – усиление сигнала, фильтрация с целью оптимизации отношения сигнал/шум и компенсации искажений, автоматическая регулировка уровня; • Узел обработки – регенерация информационного сигнала. Приемные оптоэлектронные модули | 23| проф. Белкин М.Е.

24. Особенности обработки сигналовв цифровых ПРОМ Простейшая структурная схема узла регенерации цифрового сигнала • Операция принятия решения усложняется из-за вносимых искажений.В основном искажения возникают по двум причинам: • Из-за ограниченной полосы пропускания приемника либо линии связи форма принимаемого импульса отличается от прямоугольной. Наблюдаются «хвосты» импульса вне отведенного на его передачу промежутка времени (его тактового интервала) и наложение на соседние импульсы – так называемая межсимвольная помеха. • На полезный сигнал накладывается напряжение паразитного случайного сигнала – шума, амплитуда которого может быть сравнима с порогом решающего устройства. Приемные оптоэлектронные модули | 24| проф. Белкин М.Е.

25. Коэффициент ошибок В цифровой связи качество восстановленного сообщения характеризуется коэффициентом ошибок: отношение числа ложных двоичных символов (бит) на выходе приемника к полному числу символов, принятому в течение большого промежутка времени. • Напряжение цифрового сигнала на входе решающего устройства – это случайная величина с гауссовским законом распределения и стандартным отклонением σ. Обозначим напряжение, соответствующее посылке, как b1, а соответствующее паузе, как bо, дисперсию напряжения шума во время посылки – как , во время паузы - . • Пусть порог решающего устройства равен D. Тогда, считая шум белым, гауссовским, определяем так называемую полную вероятность ошибки рош= р(0) р(1/0) + р(1) р(0/1) где р(0) и р(1) – априорные вероятности появления соответственно паузы и посылки; р(1/0) – условная вероятность приема сигнала посылки при передаче сигнала паузы: вероятность ложной тревоги; р(0/1) – условная вероятность приема сигнала паузы при передаче сигнала посылки: вероятность пропуска посылки. Приемные оптоэлектронные модули | 25| проф. Белкин М.Е.

26. Коэффициент ошибок - 2 • b0 = 0 • σ1= σ0= σ • р(1) = р(0) = 0,5 для Q > 3 Значение Q для цифровых систем стандартно задается как отношение амплитуды сигнала к действующему значению напряжения шума: Q=0,5(С/Ш). Расчетная зависимость вероятности ошибки pош от параметра Q Коэффициент ошибок является гораздо более чувствительным параметром, чем отношение сигнал/шум. В частности, из рисунка видно, что при изменении Q (или С/Ш) в два раза (на 6 дБ) вероятность ошибки меняется более, чем на 10 порядков, т.е. крутизна характеристики ошибки – примерно 0,6 дБ/порядок. Приемные оптоэлектронные модули | 26| проф. Белкин М.Е.

27. Отношение сигнал/шум и порог чувствительности ФПУИдеальное фотоприемное устройство Идеальное – нешумящее ФПУ с идеальным фотоэлектрическим преобразователем, в котором каждому поглощенному фотону достоверно соответствует появление во внешней электрической цепи одного электрона. Идеальное ФПУ обладает конечным временем наблюдения Тн, в течение которого происходит счет фотонов. Рассмотрим ограничения порога чувствительности, связанные с применением нешумящего счетчика фотонов. Излучение на входе , где – среднее число фотонов, в течение интервала Тн Закон Пуассона Вероятность появления m фотонов за время Тн Среднее число образовавшихся фотоэлектронов Теоретическая нижняя граница мощности приема ФПУ (квантовый предел, КП): Приемные оптоэлектронные модули | 27| проф. Белкин М.Е.

28. Отношение сигнал/шум и порог чувствительности ФПУИдеальное фотоприемное устройство - 2 Если принять, что рош= 0,5 р(0/1) Необходимое число фотонов Если при посылке «0» излучения нет В = 1/Т Порог чувствительности при передаче посылки: Приемные оптоэлектронные модули | 28| проф. Белкин М.Е.

29. Отношение сигнал/шум и порог чувствительности ФПУРЕАЛЬНОЕ фотоприемное устройство В реальном ФПУ минимальное значение средней входной мощности зависит от эффективности оптоэлектрического преобразования, коэффициента передачи фотодиодного модуля, значений шумов фотодетектора и предварительного усилителя. • Как известно, фототок , • где Рвх. – мощность входного оптического сигнала; q – элементарный заряд; η – квантовая эффективность фотодиода; М – коэффициент умножения фототока в ЛФД (для pin-фотодиода М=1) При модуляции гармоническим сигналом Рвх = Ро(1+mAcosΩt), из-за большой разницы частот можно считать сигнал постоянным в достаточно широкой полосе модулирующих частот. При глубине модуляции m≈1 Номинальная мощность сигнала Рном на выходе фотодетектора в соответствии с эквивалентной схемой , где С=Сд+Cн Мощность в нагрузке Rd, Сd – дифференциальное сопротивление и емкость фотодиода; Rб – сопротивление базы фотодиода; Iф – ток фотодиода; Iш1, Iш2 – эквивалентные шумовые токи, природа которых будет описана ниже Коэффициент передачи Приемные оптоэлектронные модули | 29| проф. Белкин М.Е.

30. Отношение сигнал/шум и порог чувствительности ФПУРЕАЛЬНОЕ фотоприемное устройство - 2 • Из • Максимальное значение коэффициента передачи 4Rн/Rд; • Коэффициент передачи входной цепи даже на низких частотах не превышает 10-2. • Коэффициент передачи уменьшается с ростом верхней частоты диапазона модулирующих частот. • Компенсировать эти потери можно за счет внутреннего усиления фотодиода. Квантовые шумыи шумы умножения фотоносителей Шумы темнового тока Тепловые шумы Приемные оптоэлектронные модули | 30| проф. Белкин М.Е.

31. Отношение сигнал/шум и порог чувствительности ФПУРЕАЛЬНОЕ фотоприемное устройство - 3 • При M=1,порог чувствительности определяется тепловыми шумами схемы предварительного усилителя. Порог чувствительности ФПУ с pin-фотодиодом цифровой ВОСП определяется как: • где S – чувствительность фотодиода в А/Вт, которая является его паспортным параметром; r – отношение интенсивностей излучения при передаче паузы и посылки; Q – параметр, пропорциональный отношению сигнал/шум. ≈0 Для низкоскоростных ФПУ Для высокоскоростных ФПУ Требование минимизации порога чувствительности является крайне важным только для магистральных ВОСП. В остальных случаях с точки зрения простоты схемы и эксплуатационных преимуществ целесообразнее использовать pin- фотодиоды, которые получили гораздо более широкое распространение в ВОСП, чем ЛФД. Сравнение идеальных и реальных ФПУ Приемные оптоэлектронные модули | 31| проф. Белкин М.Е.

32. Основные параметры ПРОМ • Согласно ГОСТ ПРОМ характеризуется следующими параметрами: • Рабочая длина волны, для которой нормированы остальные параметры, мкм. • Полоса пропускания, т.е. интервал частот, в котором модуль коэффициента передачи больше или равен половине его максимального значения. • Напряжение шума, т.е. среднеквадратическое значение флуктуаций выходного напряжения в заданной полосе частот в отсутствие оптического сигнала. • Отношение сигнал/шум – отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднеквадратическому значению флуктуаций выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности. • Коэффициент ошибок – отношение числа ошибок в цифровом сигнале на выходе устройства за данный интервал времени к числу символов в этом интервале. • Порог чувствительности – минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе при заданных характеристиках этого сигнала, при которой обеспечивается заданное отношение сигнал/шум или заданный коэффициент ошибок. • Динамический диапазон – отношение максимальной средней мощности входного оптического сигнала, при которой характеристики устройства не выходят за допустимые пределы, к порогу чувствительности. Приемные оптоэлектронные модули | 32| проф. Белкин М.Е.

33. Предварительный усилитель • Шумы усилителя в основном зависят от типа транзистора, используемого во входном каскаде. Особенно велика его роль в случае применения pin-фотодиода, когда порог чувствительности определяется шумами схемы. • Сравним возможности применения полевых и биполярных транзисторов: Gш, Rш., у21, Сз.и. – параметры эквивалентных схем транзисторов, Rн –сопротивление нагрузки усилительного каскада, I2 и I3–интегралы Персоника, зависящие только от формы сигнала посылки, значения можно определить из графиков При низких скоростях передачи (В) целесообразно применять полевой транзистор, а при высоких – биполярный. Приемные оптоэлектронные модули | 33| проф. Белкин М.Е.

34. Предварительный усилитель • Основная задача - минимизация входной емкости усилителя, включающей емкость монтажа и первого каскада. • Снижение емкости монтажа достигается рациональной конструкцией входной цепи, размещением приемника излучения как можно ближе к транзистору входного каскада; • Входная емкость первого каскада включает в себя: • Статическую входную емкость эквивалентной схемы транзистора; • Динамическую емкость, обусловленную так называемым эффектом Миллера, возникающую вследствие обратной связи по напряжению через проходную емкость транзистора. • Согласно рисунку во входных каскадах могут применяться: каскодные схемы, схемы с параллельной обратной связью, повторители (истоковый и эмиттерный), усилители тока. • В каскодных схемах нагрузкой первого транзистора является низкое входное сопротивление биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой; • В схемах с параллельной обратной связью сопротивление второго транзистора уменьшается за счет введения обратной связи по напряжению; • Схемы повторителей имеют коэффициент передачи по напряжению меньше единицы; • Усилители тока – низкое входное сопротивление, что увеличивает уровень шума схемы. Схемы входных каскадов предварительных усилителей (кружками обозначены точки постоянного потенциала):а – каскодные схемы;б – с параллельной обратной связью;в – истоковый повторитель;г – усилитель тока Приемные оптоэлектронные модули | 34| проф. Белкин М.Е.

35. Предварительный усилитель • Применяемые в ФПУ типы предусилителей разделены на три группы: • Высокоимпедансные; • Трансимпедансные; • Низкоимпедансные. • Наиболее широко используются в ФПУ цифровых ВОСП высокоимпедансныйи трансимпедансный варианты усилителей. • Высокоимпедансные усилители применяются в ФПУ магистральных цифровых ВОСП при скоростях передачи до 400–500 Мбит/с, трансимпедансные – в ФПУ локальных цифровых ВОСП при скоростях до 1 Гбит/с и выше. • Основным недостатком высокоимпедансного усилителя является его насыщение при длинной серии единиц, трансимпедансного усилителя – сложность обеспечения устойчивости на высоких частотах. Вследствие этого приходится уменьшать сопротивление передачи и переходить к локальной обратной связи в пределах одного каскада. Т.е. с повышением частоты он преобразуется в так называемый низкоимпедансный усилитель. Приемные оптоэлектронные модули | 35| проф. Белкин М.Е.

36. ПроМ в интегральном исполнении • Для уменьшения емкости монтажа и, следовательно, расширения полосы пропускания, повышения надежности и экономичности ПРОМ целесообразно выпускать в гибридном или монолитном исполнении. • На сравнительно низких частотах (скорости до 600 Мбит/с) получили распространение интегральные ПРОМ, в состав которых входит оптический соединитель, фотодиод и предварительный усилитель. • Модули, предназначенные для ВОСП с высокими скоростями передачи, используют меньшую степень интеграции. Обычно они включают приемник излучения и транзистор первого каскада. Интегральное исполнение позволяет существенно уменьшить суммарную емкость входной цепи и, следовательно, получить выигрыш в уровне шума. Устройства с pin-FET структурой по уровню порога чувствительности лишь незначительно уступают ФПУ с ЛФД. Варианты модулей pin-FETструктуры (R – высокоомный резистор; С – разделительный конденсатор) Принципиальная схема и схема включения интегрального ПРОМ типа HRR7000 • Основные параметры ПРОМ: спектральный диапазон 1,3 мкм, порог чувствительности -52дБм при скорости передачи 8 Мбит/с, -47дБм при скорости 34 Мбит/с и -40дБм при скорости 140 Мбит/с. Приемные оптоэлектронные модули | 36| проф. Белкин М.Е.

37. Приемные модули аналоговых ВОСП • Для аналоговой передачи сигналов в ВОСП • Требуется значительно большая величина отношения сигнал/шум на выходе ФПУ, что вызвало необходимость: • Повышения выходной мощности оптического передатчика; • Учета дополнительного шума лазера RIN, имеющего тенденцию к резкому увеличению при попадании в лазерный резонатор отражений от различных неоднородностей волоконно-оптического тракта; • Для повышения отношения сигнал/шум стремятся обеспечить по возможности большую глубину модуляции оптического излучения, но при этом из-за нелинейности лазерного диода в спектре передаваемого сигнала появляются нелинейные искажения. • С целью повышения пропускной способности современные аналоговые ВОСП строятся по многоканальному принципу с использованием ЧРК. При этом, помимо гармонических нелинейных искажений одноканальных систем, возникают взаимные помехи между каналами, называемые в радиотехнике интермодуляционными искажениями или помехами комбинационных частот. Приемные оптоэлектронные модули | 37| проф. Белкин М.Е.

38. Коэффициент передачи аналоговых пРОМ • На основе обобщенной структурной схемы ВОСП можно получить выражение для расчета мощности i-го канала на выходе ФПУ многоканальной ВОСП с ЧРК при равномерной загрузке каналов с учетом особенностей работы оптоэлектронных устройств (ПОМ, ПРОМ) в ОВЧ и УВЧ диапазонах. Чтобы исключить зависимость от параметров источника сигнала, анализпроводится в относительных терминах коэффициента передачи цепи: Здесь fi – частота поднесущей i-го канала; Ргi – мощность i-го канала на входе оптического передающего устройства; |Гвх| - модуль коэффициента отражения по входу ПОМ; zвхл- входной импеданс лазерного модуля; л - коэффициент преобразования излучателя, Вт/А; Iно – постоянный ток смещения лазера; mi – глубина модуляции излучения по i-му каналу; уп –потери в оптическом изоляторе; N1 – коэффициент ввода излучения в волоконный световод; А – погонные потери в оптическом тракте, дБ/км; ℓ – длина оптического тракта, км; n – количество сращиваний волокна в оптическом тракте; N2 – средние потери на сросток, дБ; N3 - коэффициент ввода излучения в фотодиод; Ro – номинальная чувствительность фотодиода, А/Вт; kф – коэффициент передачи фотодиода; kвх – коэффициент передачи входной цепи ПРОМ; – входной импеданс предварительного усилителя;– реализуемый коэффициент передачи мощности усилителя ПРОМ. Обращаю ваше внимание, что под формулой отмечен вклад каждого узла ВОСП. Приемные оптоэлектронные модули | 38| проф. Белкин М.Е.

39. отношение сигнал/шум в канале • Еще одной важной характеристикой многоканальной аналоговой ВОСП является отношение сигнал/шум или несущая/шум в канале. Общее выражение для амплитуды фототока Iфm при модуляции оптической несущей гармоническим сигналомс учетом использования фотодиода pin- структуры (М=1) при глубине модуляции в одном канале mi: • Где q – элементарный заряд;  - квантовая эффективность фотодиода; Ро – средняя мощность на входе фотоприемника; h- энергия фотона. • Отношение сигнал/шум в i-м канале многоканального ФПУ с учетом специфичного для аналоговых ВОСП шума RIN, источником которого является оптический передатчик: IT– темновой ток фотодиода; kБ – постоянная Больцмана; То – абсолютная температура; Fус – коэффициент шума предварительного усилителя ПРОМ; RIN- относительный шум интенсивности лазера, 1/Гц; ∆f – эффективное значение полосы пропускания ФПУ. • Если пренебречь вкладом RIN лазера и принять mi =1, то данное выражение будет подобно выражению для отношения сигнал/шум ФПУ цифровой ВОСП, принимая в последнем М=1 и учитывая соотношение между Ro и . Однако в реальной многоканальной аналоговой ВОСП, вследствие необходимости устранения нелинейных искажений, глубина модуляции на канал выбирается значительно меньше 1. Отсюда следует важный вывод, что при одинаковой мощности оптического передатчика и одинаковом затухании в волоконно-оптическом тракте отношение сигнал/шум на выходе ФПУ аналоговой ВОСП всегда меньше, чем в цифровой ВОСП на величину 0,5mi2. Приемные оптоэлектронные модули | 39| проф. Белкин М.Е.

40. Коэффициент передачи фотодиода • Параметр kфд определяется на основе физической эквивалентной схемы pin-фотодиода.В схеме дополнительно учитывается влияние индуктивности проволочного вывода Lв, емкости корпуса или кристаллодержателя Ск, а также времени пролета фотоносителей tпр в области поглощения. Это время для диодов с полосой пропускания в СВЧ диапазоне получается одного порядка с характерной постоянной времени RC-цепи фотодиода, равной произведению СпRп. В данном случае фототок Iф является комплексной величиной, а эффект конечного tпр описывается с помощью так называемого инерционного звена первого порядка: • где Iф0– фототок на низких частотах, когда справедливо неравенство ωэtпр« 1, ωэ - угловая частота в полосе частот поднесущих. где w - ширина обедненной области фотодиода; μ - подвижность носителей; Vв – напряжение постоянного обратного смещения. Коэффициент передачи фотодиода рассчитывается по его эквивалентной схеме как отношение тока Iн в нагрузке Zн к фототоку Iфо: Для данной схемы: Приемные оптоэлектронные модули | 40| проф. Белкин М.Е.

41. Коэффициент передачи входной цепи ПРОМ.Шумы • В многоканальных аналоговых ВОСП вследствие высоких частот диапазона поднесущих импеданс фотодиода в сравнении с цифровой ВОСП определяется уже не дифференциальным сопротивлением Rд, а емкостью перехода Сп, сопротивление которой уменьшается с повышением частоты. Следовательно, в сравнительно узкой полосе частот диапазона поднесущих аналоговой ВОСП с ЧРК возможно увеличение kвх за счет введения согласующей схемы, например, параллельной индуктивности, обеспечивающей в диапазоне поднесущих параллельный резонанс с емкостями Сп и Ск. • Вклады основных шумовых компонентов: • Спектральная плотность мощностей шума лазера –RIN= -100…-160 дБ/Гц • Теплового шума предварительного усилителя – Fус=2-3 дБ • Дробового шума фотоприемника при типичных значениях Rо=0,7 А/Вт и =50 Ом • Чтобы обеспечить в аналоговой ВОСП так называемый предел по тепловым шумам, шумы лазера не должны превышать -150 дБ/Гц, чтодостигнуто в современных лазерах. Приемные оптоэлектронные модули | 41| проф. Белкин М.Е.

42. Коэффициент передачи входной цепи ПРОМ.Отношение сигнал /шум • При передаче информационных сигналов методом ЧМ обеспечивается значительный выигрыш в отношении сигнал/шум. Для аналоговых ВОСП с ЧРК это дает возможность существенно снизить требования к минимальной величине отношения сигнал/шум на выходе ФПУ и уменьшить глубину модуляции на канал и влияние нелинейности и шумов лазера. Например, при частотном детектировании телевизионного сигнала отношения сигнал/шум на выходе ПРОМ и на выходе ФПУ связаны как: • (Рс/Рш)ФПУ=(Рс/Рш)ПРОМ·ВТВ(ЧМ)·Вв·α·k • Детектирование амплитудно-модулированного сигнала происходит практически без изменения отношения сигнал/шум. • Для стандартной кривой линейных предыскажений, рекомендуемой международной организацией ITU-R, суммарный выигрыш коэффициентов Вв и α составляет около 18 дБ. Рассчитанные отношения сигнал/шум на выходе ФПУ ВОСП с ЧРК-АМ при глубине модуляции на канал mi =2…10% и RIN = -150 дБ/Гц приведены на рисунке. Приемные оптоэлектронные модули | 42| проф. Белкин М.Е.

43. Пороговая чувствительность • Пороговую чувствительность соответствует для аналоговых ВОСП входному уровню ФПУ при минимальном требуемом отношении сигнал/шум на выходе устройства. • В ПРОМ аналоговых ВОСП обычно используются pin-фотодиоды с малыми темновыми токами, что обеспечивает малые дробовые шумы. Поэтому можно считать, что при применении в оптическом передающем устройстве лазерного модуля с достаточно малыми шумами основной вклад в шумы на выходе ПРОМ вносится тепловыми шумами предварительного усилителя и определять шумовые характеристики его коэффициентом шума. Тогда Отсюда, для определения порога чувствительности ФПУ аналоговой ВОСП с ЧРК: Приемные оптоэлектронные модули | 43| проф. Белкин М.Е.

44. ПРОМ СВЧ диапазона • Применении резонансного согласования во входной цепи усилителя, что существенно улучшает отношение сигнал/шум. • Для оценки эффекта резонансного согласования рассчитаем схему и характеристики ПРОМ ВОСП с СВЧ поднесущей для бескорпусного pin-фотодиода и микрополоскового СВЧ усилителя на биполярных транзисторах КТ3132. Примем: • частота поднесущей равна 2,2 ГГц • полоса пропускания ПРОМ 400 МГц (относительная ширина полосы канала 18%). • ПРОМ имеет следующие параметры: реализуемый коэффициент передачи мощности 17 дБ с неравномерностью в пределах 1 дБ во всем диапазоне частот поднесущих, коэффициент шума не более 2,5 дБ, КСВН по выходу – не более 1,5. Выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании резонансного согласования на входе предварительного усилителя ПРОМ Схема приемного оптоэлектронного модуля СВЧ диапазона ФПУ аналоговой ВОСП Приемные оптоэлектронные модули | 44| проф. Белкин М.Е.

45. ПРОМ многоканального ФПУ для кабельного телевидения • Типичным представителем ПРОМ для кабельного ТВ в гибридном исполнении является микросхема BGO827 производства фирмы Philips Semiconductor. • Особенность ее функциональной схемы состоит в использовании бескорпусного pin-фотодиода, низкоимпедансного усилителя с одновременно высокой линейностью, большим динамическим диапазоном и хорошими шумовыми характеристиками. • Основные параметры модуля BGO827: • Спектральный рабочий диапазон … 1290-1600 нм • Спектральная чувствительность фотодиода не менее…..…0,85 А/Вт (1,3 мкм); 0,9 А/Вт (1,55 мкм) • Коэффициент отражения по оптическому входу, не более………………..…………………………………. -45 дБ • Чувствительность ПРОМ, не менее………………………………… 750 В/Вт (1,3 мкм) • Полоса пропускания………………………40-870 МГц • Неравномерность АХЧ в полосе пропускания, не более………………………………………………..….. -45 дБ • Приведенный ко входу усилителя эквивалентный уровень шума, не более………………….... 8,5 пА/√ Гц • Уровень интермодуляционных искажений второго порядка, не более…….………………….. -57 дБ • Уровень интермодуляционных искажений третьего порядка, не более………………………………….…. -73 дБ Приемные оптоэлектронные модули | 45| проф. Белкин М.Е.

46. ФПУ современной многоканальной аналоговой ВОСП • ФПУ состоит из трех блоков: питания, оптического приема и демодуляции. Принципы работы блока оптического приема были рассмотрены выше, а примененные АМ и ЧМ демодуляторы ничем не отличаются от стандартных устройств, используемых в системах радиотехнического диапазона. • Спектральный диапазон………………………………………. 1,3 ± 0,02 мкм • Пороговая чувствительность, не более…………………………….. -8дБм • Отношение сигнал/шум в канале изображения, не менее…50 дБ • Отношение сигнал/шум в канале звука, не менее…………….. 60 дБ • Выходные уровни каналов изображения и звука соответствуют требованиям ГОСТ. • Основными элементами его являются ПРОМ и узел обработки. В ФПУ аналоговой ВОСП узел обработки, как правило, содержит набор демодуляторов каналов поднесущих. Приемные оптоэлектронные модули | 46| проф. Белкин М.Е.

47. Оптический Усилитель. Классификация • Примеры использования: • Предварительный или линейный усилитель на входе фотоприемного устройства когерентной ВОСП; • Усилитель мощности на выходе передающего устройства многоволновой ВОСП с СРК; • Ретрансляционный усилитель в линейном тракте транспортной ВОСП большой протяженности (особенно, в трансокеанской ВОСП) или широко разветвленной локальной ВОСП В основном в волоконно-оптических системах применят лазерные усилители бегущей волны и легированные волоконные усилители. Активные устройства оптического тракта | 47| проф. Белкин М.Е.

48. Оптический Усилитель. Параметры *Без учета потерь на стыковку с одномодовым волоконным световодом Активные устройства оптического тракта | 48| проф. Белкин М.Е.

49. Коэффициент усиления. Сигнал/шум • Для малосигнального режима: , • Сужение полосы усиления: • В режиме большого сигнала, с учетом нормировки K’=G’/G0. • Тогда выходная мощность: , Ps – мощность насыщения. • Отношения сигнал/шум на входе усилителя • , Δf – полоса измерительного прибора • Отношения сигнал/шум на выходе усилителя • , Ssp- вклад спонтаннойэмиссии • Отношение сигнал/шум усилителя • , nsp – коэффициент спонтанной эмиссии nsp>1 При G>20дБ(верно для любого усилителя) Fn≈2nspFn≥3дБ Активные устройства оптического тракта | 49| проф. Белкин М.Е.

50. полупроводниковый лазерный усилитель где R1, R2 – коэффициенты отражения от границы, примерно 33%; G0 - однопроходный коэффициент усиления; n – средний показатель преломления активной области; L – длина кристалла. • Из-за эффекта сужения полосы усилители с резонатором Фабри-Перо имеют полосу единицы ГГц. • Для работы лазерного усилителя бегущей волны необходимо, в т.ч., выполнение • R1,R2<0,17%. Конструкции на рисунке позволяют стоить УБВ с G>40 дБ. при G0=20 дБ Конструкции кристалла УБВ с большим коэффициентом усиления Схемы построения нечувствительного к УБВ Активные устройства оптического тракта | 50| проф. Белкин М.Е.