CSc. FOT 2010

Optické přenosové součástky a systémy Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc FOT 2010 [email protected]

Principy přenosu optické informace

Obecné blokové schéma optického spoje lit. [ 1 ]

Principy přenosu optické informace

Základní principy - výhody

Odolnost vůči rušivým elektromagnetickým signálům Malé vyzařování optické energie mimo vlnovod Galvanické oddělení koncových zařízení Velká kapacita optických spojů daná vysokou frekvencí

záření 1014 Hz Pásmo dnes využívaných vlnových délek obsahuje pásmo viditelných vlnových délek a blízké infračervené pásmo 0,4 až 1,6 µm Nízká cena výchozího materiálu, nízká hmotnost a rozměry

Principy přenosu optické informace Základní principy – nevýhody Nelze přenášet energii kupř. pro napájení mezilehlých komunikačních systémů Náročnější technologie pro výrobu a spojování optických vlnovodů a integrovaných obvodů Náročnější technologie pro nastavování a kontrolu parametrů optických a optoelektronických systémů

Optické komunikační systémy

Rozdělení podle typu modulace:

Systémy s intenzitní modulací optické nosné a přímou detekcí Systémy koherentní s heterodynní detekcí optické nosné Systémy koherentní s homodynní detekcí optické nosné

Rozdělení podle funkce:

Rozdělení podle násobnosti využití optických cest:

Systémy přenosové Systémy pro přepojování okruhů Systémy pro přepojování paketů Optické jednokanálové systémy Optické vícekanálové ( multiplexní ) přenosové systémy

Systémy přenosové s intenzitní modulací

Blokové schéma optického přenosového systému s intenzitní modulací

Koherentní přenosové systémy

Blokové schéma optického komunikačního systému lit. [ 1 ]

Koherentní přenosové systémy

Porovnání citlivosti opticky nekoherentního a koherentního sdělování lit. [ 1 ]

Systémy pro přepojování okruhů

Aktivní vlnový router s prostorovým přepínáním typu vlnový vydělovač OADM lit. [ 2 ]

Systémy pro přepojování paketů

Aktivní vlnový router s vlnovým směrováním typu OXC lit. [ 3 ]

Optické vícekanálové systémy

Blokové schéma přenosového systému WDM

Optické vícekanálové systémy

Optický přenosový systém OTDM - princip

OE vysílače pro optické sdělování

Obecné požadavky na optoelektronický vysilač :

Velký vyzařovaný výkon ve vlákně s malým podílem šumu RIN – určuje dosah optického spoje Výborné modulační vlastnosti – velká šířka pásma, lineární modulační charakteristika, malé relaxační oscilace u LD Dobré spektrální vlastnosti – úzká spektrální charakteristika, malá závislost spektra na teplotě a na modulačním proudu –podmiňují dosah optického spoje a počet multiplexovaných kanálů Malý podíl spontánní emise záření u LD – určuje šumovou úroveň Vysoká životnost a stabilita vyzařování, dobré vysokofrekvenční přizpůsobení vstupních obvodů modulátoru při injekční modulaci a minimální zkreslení při použití vnějšího modulátoru, malá spotřeba energie

Typy optoelektronických zářičů

P olovodičové zd roje záření, tech n ologické u sp ořád ání ( L E D , F .-P. L D , D FB -L D , V C S E L )

Typy optoelektronických zářičů

Převodní charakteristiky LD, SLED, LED lit. [ 1 ]

Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED )

Vyzařovací diagramy LED lit. [ 4 ]

Laserové diody - LD

Vyzařování LD – blízké pole lit. [ 4 ]

Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Účinnost vazby : ηc = Pvlákno/ Pcelk. = ( NA )2

Navázání záření do optického vlákna lit. [ 4 ]


a) Vazba přímá lepidlem s indexovým přizpůsobením b) Vazba s kónickou čočkou na konci vlákna c) Vazba se sférickou čočkou lit. [ 5 ]


SM čočka vytvořená tavením

SM čočka vytvořená broušením a tavením lit. [ 6 ]

Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Dynamické vlastnosti: Difuzní kapacita Cd a difuzní odpor Rd. Součin pak udává efektivní dobu života spontánně rekombinujících nosičů τ τd = Cd Rd Bimolekulární rekombinační mechanismy- na DH dochází procesům, které způsobují závislost τb na proudové hustotě a technologickém provedení podle vztahu: τb = (ed/ 2J ) (n0 + p0 ) {[ 1+4J/ eBr d (n0 + p0 )2 ]1/2- 1}

Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Závislost pro efektivní dobu života nosičů v aktivní vrstvě

DH pro slabě dotovanou aktivní vrstvu a vysokou proudovou hustotu J τ = ( qd/ JB )1/2

DH pro silně dotovanou aktivní vrstvu τ = ( B(n0 + p0 ) )-1 τ - efektivní doba života volných nosičů n0 + p0 - koncentrace dotace v aktivní oblasti J - proudová hustota d - tloušťka aktivní vrstvy B – rekombinační konstanta pro spontánní přechody

Mezní frekvence LED fm = 1/ 2πτ


Analogová a digitální modulace LED , princip lit. [ 7 ]

Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Modulační charakteristika: Pr (ω) = [ 1 + ( ω τ ) ] −1/ 2

M ěřen é a sim u lo v a n é a m p litu d o v é m o d u la čn í c h ra kte ristiky ko m u n ika čn ích L E D p ro d = 0 ,2 µ m , 0 ,7 µ m a pro ss. p ro u do vo u h u sto tu J = 1 ,5 a 2 ,2 5 kA / c m 2


Dynamické vlastnosti

Numerickým výpočtem z rychlostních rovnic dostáváme časovou odezvu pro velké změny signálu Linearizací rychlostních rovnic dostáváme odezvu LD na buzení malým signálem

dN/ dt = I/ eVa - g . ( N – Ng ) . S - N ( 1/ τns + B . N ) dS/ dt = g . ( N – Ng ) . S - S/ τp + α N ( 1/ τns+ B . N ) kde N je střední koncentrace elektronů, S je střední koncentrace fotonů, I je čerpající proud, g je zisková konstanta, Ng je prahová koncentrace, τns je doba života elektronů, τp je doba života fotonů, B je konstanta spontánních bimolekulárních rekombinací, α je konstanta spontánního příspěvku do laserového vidu

Laserové diody - LD Pr( ω) = ωο2 / ( ωo2 – ω 2 ) + j β ω kde ωο2 = ( Ιο – Ith )/ττsp τph I th a

β = Ιο/ττsp Ith

E le k tr ic k ý n á h r a d n í o b v o d L D p r o m a lé z m ě n y s ig n á lu


Analogová a digitální modulace LD , princip lit.[ 7 ]


Závislost amplitudové modulační charakteristiky LD na proudovém buzení lit.[4]


Impulzní časová odezva LD


Statické spektrální charakteristiky LED,SLED,LD lit. [5]

Dynamika spekter OE zdrojů záření při modulaci lit. [ 1 ] LED,multividová LD ( MV LD ), jednovidová LD (JV LD), jednofrekvenční LD (JF LD)

OE vysilač s injekčním modulátorem Výhody

injekčních modulátorů LD :

Obvodová a technologická jednoduchost provedení Dobrá elektrická linearita modulátorů, která umožňuje realizovat analogové modulátory s vysokým odstupem intermodulačních produktů Dobré elektrické vysokofrekvenční přizpůsobení na vstupu modulátoru

OE vysilač s injekčním modulátorem

Nevýhody injekčních modulátorů LD: Modulační šířka pásma je závislá na transportních vlastnostech fotonů a elektronů modulátoru LD a je omezena tzv. foton-elektronovou rezonanací Optické spektrum MV LD a JV LD je rovněž modulováno v závislosti na změnách injekčního proudu, vzniká tzv. chirpping Poměr signál/šum je zhoršován šumem modulačního tranzistoru

Injekční intenzitní modulátory

Typy injekčních modulátorů pro OE vysílače


Typy injekčních modulátorů LD, LED s tranzistorem:

Sériový modulátor – sériové spojení modulačního tranzistoru s OE prvkem – užití pro injekční modulaci LD, SLD a LED – šířky pásma do 1 GHz

Bočníkový modulátor – paralelní spojení modulačního tranzistoru a OE prvku – vhodně kompenzuje horší dynamické parametry LED – využití pro modulaci LED až do 300 MHz

Emitorově vázaný modulátor – sériové spojení OE prvku s dvojicí emitorově vázaných tranzistorů – užití pro injekční modulaci LD – využití v planárních MMIO pro modulace nad 1 GHz


OEV integrovaný logický obvod na GaAs vyrobený společností Lockheed Research Laboratory lit. [8]


a) Monolitický integrovaný gigabitový OE vysílač lit. [ 8 ] b) Elektrické schéma zapojení

OE vysilač s vnějším modulátorem

Princip OE vysílače s vnějším modulátorem

OE vysilač s vnějším modulátorem Výhody

OE vysílače:

Modulační šířka pásma není závislá na transportních vlastnostech elektronů a fotonů v LD. Neuplatní se foton-elektronová rezonance Neuplatní se rovněž parazitní indukčnosti a kapacity LD a modulátoru Nedochází k parazitní modulaci optického spektra LD tzv. chirppingu

OE vysilač s vnějším modulátorem Nevýhody

Je

OE vysílače:

třeba kompenzovat nelineární převodní charakteristiku EO modulátoru teplotně kompenzovaným ekvalizačním obvodem Na EO modulátoru dochází k optickým ztrátám, které je třeba kompenzovat vyšším výkonem LD Vysoká cena vyplývající ze složitých a teplotně stabilizovaných obvodů OE vysílače

OE vysilač s vnějším modulátorem

Blokové schéma OE vysílače CM 7130 společnosti DSC lit. [ 9 ]

Stabilizace optického výkonu OE vysílače

Typy obvodů pro stabilizaci zářivého výkonu:

Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon a střední extinkci modulace Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon a maximální zářivý výkon modulace


Závislost W – A charakteristiky LD na teplotě lit. [4]


Princip zapojení optické zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon


Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon a střední extinkci modulace


Integrující zpětná vazba stabilizující střední zářivý výkon a maximální zářivý výkon modulace

Příklady zapojení OE vysílače

Zapojení HIO OE vysílače s emitorově vázaným FET modulátorem a optickou stabilizací na střední výkon lit. [ 10 ]

OE přijímače pro optické sdělování Obecné

požadavky na OE přijímač

Vysoká citlivost vyjádřená poměrem V/W do definované

zátěže Velký odstup signál/šum OE přijímače Vhodnou vlnovou délku vzhledem k přijímanému záření Dobrou dynamiku vzhledem k typu požadované modulace Linearitu vzhledem k rozsahu intenzity optického záření na vstupu OE přijímače Ps / Pš = ( msP ) / [ 2q( Id + sP ) + 4kTF / R ] ∆f

OE přijímače pro optické sdělování

Porovnání odstupu signál/ šum pro různé typy OEP při BER 10-9

Komunikační fotodiody - PIN

FD- PIN s homopřechodem a heteropřechodem lit. [ 5 ]

Komunikační APD fotodiody

FD lavinové Si, Ge a GaAlAs pro pásma 0,8 až 1,6 µm

Komunikační fotodiody - PIN Dynamické vlastnosti

Časová konstanta τRC = (Rd+Rz) (Cs + Cz) kde τRC časová konstanta, Rd je dynamický odpor, Cs je kapacita prostorového náboje, Rz a Cz je odpor a kapacita zátěže

Driftové časy nosičů ve vyčerpané oblasti τd = L/ vs kde L = x1 – x2 tloušťka intrinsické oblasti PIN, vs je saturační rychlost

Celková časová konstanta a šířka pásma

τC = (τRC 2+ τd2)1/2 z toho fm = 1/ 2π τC

Komunikační fotodiody - PIN

Závislost mezní frekvence PIN FD pro vysoké rychlosti komunikace na tloušťce intrinsické vrstvy. Parametrem je průměr aktivní plochy fotodetektoru lit. [ 8 ]

OE přijímače základní zapojení

a) Nízkoimpedanční typ, b) Transimpedanční typ, c) Vysokoimpedanční typ s ekvalizérem


Kaskodový SS-SB-SE transimpedanční OE přijímač pro modulační pásma do 150 MHz lit. [ 8 ]


Hybridní transimpedanční OE přijímač s šířkou pásma 700 MHz lit. [ 10 ]


Monolitický obvod PIN FET pro gigahertzové pásmo lit. [ 8 ]


Monolitický DHBT InP/ InGaAs OE přijímač pro šířku pásma do 40 GHz lit. [10]

Návrh optické trasy

Závislost optického výkonu OE vysílače ve světlovodu a citlivosti OE přijímače na přenosové rychlosti digitálního spoje lit. [1]


Parametry optického spoje: Šum – BER (Bit Error Rate) pro digitální přenos – SNR (Signal to Noise Ratio) pro analogový přenos Útlum – α (dB, dBm) Disperze – σ (ns) rozšíření střední šířky přenášených impulsů Šířka pásma – B (MHz, GHz) Modulační rychlost – vm (Baud) rychlost přenosu informace kde vm odpovídá B Přenosová rychlost – vp (bit/s) rychlost kódování použité k přenosu, kde vp odpovídá Bn vp = vm lg2 n kde n je počet stavů modulace


Návrh

Vstupní údaje Vzdálenost v km je 5 km s MM vláknem GI Požadovaná modulační rychlost 100 MBaud Optický výkon vysilače LD 10mW t.j. 10dBm, disperze σLD = 1ns Optický přijímač 200 Mbaud má citlivost 48 dBm pro APD na Si. Lze odečíst z grafu viz lit. [ 10 ] Výpočet σvlákna = ( (1/5vm,pren)2 – σLD2 – (1/5vm,det)2) ½ σvlákna = (2)1/2 ns z toho šířka pásma optického vlákna Bvl= 1/5 σvlákna Bvl= 141 MHz


Činitel jakosti vlákna: Bvlčj= Bvl L1-γ Bvlčj= 211 MHz.km Lze použít GI 62,5/125 vlákno, útlum αvlákna = 3,5dB/km pro λ=850 nm a Bvlčj= 600 MHz.km, Σ αspojek =1 dB, Σ αděličů = 6 dB Útlum trasy: αC= Σ αspojek + Σ αděličů + αvlákn L αC= 1 + 6 + 17,5 = 24,5 dB Výkonová bilance Prezerva = Pzisk – Pztráty = 10 dBm – ( - 48 dBm) – 24,5 dBm = 33,5 dBm

Literatura [ 1 ] A.Kuchar, M.Khodl:Optické systémy pro přenos informace, KH servis, Praha, 1995 [ 2 ] IEEE Communications Magazine, vol.1 , 1998 [ 3 ] IEE Electronics Communication Journal, vol.5 , 2000 [ 4 ] H.Kressel: Semiconductor Devices for Optical Communication, Springer – Verlag, Berlin, 1982 [ 5 ] J.Gowar : Optical Communication Systems, Prentice-Hall International, London, 1984 [ 6 ] L.B.Jeunhomme : Single – Mode Fiber Optics, Marcel Dekker, inc., NewYork, 1990 [ 7 ] K.Novotný: Optická komunikační technika, ČVUT, Praha, 1998 [ 8 ] Optical Fiber Telecommunications II, Academic Press,Inc., London, 1988 [ 9 ] Technická dokumentace DSC, Danmark, 1994 [ 10 ] Technická zpráva Tesla VÚST, Praha, 1989 [ 11 ] IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.49, N 10, 2001,p.1921

Děkuji za pozornost

CSc. FOT 2010

Recommend Documents