Оптоволоконные приемопередатчики

January 13, 2011 by admin Комментировать »

Волоконно-оптические линии связи – это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Широкополосность оптических сигналов обусловлена чрезвычайно высокой несущей частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1 Терабит/с. Т.е. по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

Важнейшим компонентом является волоконно-оптический кабель. В мире существует несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия). Стоимость оптических кабелей соизмерима со стоимостью стандартных "медных" кабелей. Применение оптоволоконных средств передачи сигналов пока сдерживается относительно высокой стоимостью оборудования и сложностью монтажных работ.

Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и, затем в приемнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в приемопередатчиках, которые содержат электронные блоки наряду с оптическими компонентами.

В общем случае организация оптического канала аналогична IrDA. Существенными отличиями являются диапазон оптических волн и скорость передаваемых данных. В этой связи в качестве излучателей применяют полупроводниковые лазеры, а в качестве приемников – высокочастотные фотодиоды. Структурная схема оптоэлектронного приемника данных приведена на рис. 5.19, а на рис. 5.20 – передатчика данных.

Рис. 5.19. Оптоэлектронный приемник данных

 

Рис. 5.20. Оптоэлектронный передатчик данных

Для передачи информации по волоконно-оптическому каналу используют два диапазона волн: 1000 ^ 1300 нм (второе оптическое окно), и 1500 ^ 1800 нм (третье оптическое окно). В этих диапазонах – наименьшие потери сигнала в линии на единицу длины кабеля.

Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды (LED) часто используются в дешевых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса излучения и невозможность работы в длинах волн второго и третьего оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телекоммуникаций.

В отличие от светодиода, оптически модулируемый лазерный передатчик может работать в третьем оптическом окне. Поэтому для ультрадальних и WDM систем передачи, где стоимость – не главное соображение, а высокая эффективность обязательна, используют лазерный оптический источник. Для оптических каналов связи различные типы прямо-модулируемых полупроводниковых лазерных диодов имеют оптимальное отношение стоимость / эффективность. Приборы могут работать и во втором, и в третьем оптических окнах.

Все полупроводниковые лазерные диоды, используемые для прямой модуляции, обычно имеют потребность в постоянном токе смещения, чтобы установить рабочую точку и ток модуляции для передачи сигнала. Величина тока смещения и тока модуляции зависит от характеристики лазерного диода и может отличаться от типа к типу и друг от друга у одного типа. Диапазон изменения этих характеристик со временем и температурой должен учитываться при проектировании блока передатчика. Особенно это касается экономически более выгодных неохлаждаемых типов полупроводниковых лазеров. Отсюда следует, что драйвер лазера должен выдавать ток смещения и ток модуляции в диапазоне достаточном, чтобы разные оптические передатчики с широким выбором лазерных диодов могли работать в течение длительного времени и при разной температуре.

Для компенсации ухудшающихся характеристик лазерного диода используют устройство автоматического управления энергией (APC). Здесь используется фотодиод, который преобразовывает световую энергию лазера в пропорциональный ток и подает его в драйвер лазера. Исходя из этого сигнала, драйвер выдает ток смещения в лазерный диод, чтобы световая мощность оставалась постоянной и соответствовала первоначально установленной. Так поддерживается "амплитуда" оптического сигнала. Фотодиод, который находится в схеме APC, также может использоваться при автоматическом управлении модуляцией (АМС).

Восстановление синхронизации и преобразование в последовательный формат требуют синхроимпульсов, которые должны синтезироваться. Этот синтезатор также может быть интегрирован в параллельно-последовательный преобразователь и, обычно, включает схему фазовой автоподстройки частоты. Синтезатор играет важную роль в передатчике оптической системы связи.

Оптические приемники обнаруживают сигналы, передаваемые по воло- конно – оптическому кабелю и преобразуют его в электрические сигналы, которые затем усиливают, восстанавливают их форму и синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного формата в параллельный. Ключевой компонент, который следует за усилителем в приемном устройстве – это схема восстановления синхронизации и данных (CDR). CDR выполняет тактирование, принимает решение об уровне амплитуды поступающего сигнала и выдаёт восстановленный поток данных.

Есть несколько способов поддержания синхронизации (внешний ПАВ – фильтр, внешний контрольный синхросигнал и т.д.), но только комплексный подход позволяет эффективно решать эту задачу. Использование системы фазовой автоподстройки частоты (PLL) – неотъемлемая часть в синхронизации тактовых импульсов с потоком данных, это гарантирует выравнивание синхросигнала с серединой информационного слова.

Лазерные модули серии LFO-1 (табл. 5.15) изготавливаются на основе высокоэффективных MQW InGaAsP/InP и AlGaInP/GaAs лазерных диодов и выпускаются в стандартных неохлаждаемых коаксиальных корпусах с одно- модовым или многомодовым оптическим волокном. Отдельные модели, наряду с неохлаждаемым исполнением, могут выпускаться в корпусах типа DIL-14 со встроенным микрохолодильником и терморезистором. Все модули имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую стабильность мощности излучения, ресурс работы более 500 тыс. часов и являются лучшими источниками излучения для цифровых (до 622 Мбит/с) оптических линий связи, оптических тестеров и оптических телефонов [www.symmetron.ru].

Табл. 5.15

 

Мощность излучения, (мВт)

Длина волны, (нм)

Тип оп-

тич. волокна

Микрохолодильник

Тип корпуса

LFO-14-ip

1,0…1,5

1310

SM

4-pin

LFO-14-i

есть

DIL-14

LFO-14/2-ip

2,0…3,0

1310

SM

4-pin

LFO-14/2-i

есть

DIL-14

LFO-17-ip

2,0…3,0

1310

ММ

4-pin

LFO-17-i

есть

DIL-14

LFO-17/m-ip

1,0

850

MM

4-pin

LFO-18-ip

0,8…1,2

1550

SM

4-pin

LFO-18-i

1,0…1,5

есть

DIL-14

LFO-18/2-ip

2,0…3,0

1550

SM

4-pin

LFO-18/2-i

есть

DIL-14

Фотоприемные модули серии PD-1375 (табл. 5.16) для спектрального диапазона 1100-1650 нм изготавливаются на основе InGaAs PIN фотодиодов и выпускаются в неохлаждаемом исполнении с одномодовым (модель PD- 1375s-ip), либо многомодовым (PD-1375m-ip), оптическим волокном , а также в корпусе типа "оптическая розетка" для стыковки с SM и MM волокнами, оконцованными разъемом типа "FC/PC" (модель PD-1375-ir). Модули имеют широкий диапазон рабочих температур, высокую спектральную чувствительность, низкие темновые токи и предназначены для работы в аналоговых и цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации до 622 Мбит/сек.

Табл. 5.16

Модель

Длина волны, (нм)

Тип оп-

тич. волокна

Чувствительность, (А/Вт)

Скорость приема, (Мбит/с)

Тип корпуса

PD-1375s-ip

1100…1650

SM

0,9

2…622

4-pin

PD-1375m-ip

1100…1650

MM

0,9

2…622

4-pin

PD-1375-ir

1100…1650

SM или ММ

0,9

2…622

"розетка"

Набор микросхем, выпускаемый фирмой MAXIM для приемопередатчиков, позволяет проводить преобразования в SDH/SONET оптических системах передачи. SDH – европейский стандарт на волоконно-оптические средства для передачи данных. SONET – стандарт, определяющий скорости, сигналы и интерфейсы для синхронной передачи данных при скорости более одного гигабита / сек по волоконно-оптической сети.

Усилители MAX3664 и MAX3665 (рис. 5.21) преобразуют ток от фотодиодного датчика в напряжение, которое усиливается и в виде дифференциального сигнала поступает на выход. Кроме усилителя фототока в микросхемах имеется обратная связь для компенсации постоянной составляющей, которая зависит от величины темнового тока фотоприемника и обладает весьма низкой температурной и временной стабильностью. Типовая схема включения MAX3665 показана на рис. 5.22. Основное назначение этих усилителей восстановление амплитуды электрического сигнала и передача восстановленного сигнала для дальнейшей обработки.

Микросхема MAX3675 (MAX3676) выполняет восстановление синхросигналов от полученного потока данных и их тактирование. Функциональная схема MAX3676 показана на рис. 5.23. Алгоритмы обработки сигналов в этих устройствах гораздо сложнее. В результате преобразования сигналов вместе с восстановлением потока цифровых данных производится выделение синхросигнала, необходимого для дальнейшей корректной обработки. Типовая схема включения MAX3676 показана на рис. 5.24. MAX3676 принимает сигнал от усилителя фототока и в результате преобразования этого сигнала передает на выход дифференциальные сигналы данных и синхросигналы со стандартными логическими уровнями. Необходимо учитывать, что все эти преобразования выполняются с сигналами, поступающими в последовательном формате с весьма высокой скоростью.

Рис. 5.21. Функциональная схема усилителя фототока MAX3665

Рис. 5.22. Типовая схема включения МАХ3665

Рис. 5.23. Функциональная схема МАХ3676

Рис. 5.24. Типовая схема включения МАХ3676

Для передачи сформированных в результате приема сигналов через стандартные интерфейсы компания MAXIM предлагает MAX3680 и MAX3681, это преобразователи последовательного кода в параллельный. MAX3680 преобразует последовательный поток данных, поступающий со скоростью 622 Мбит/с в поток 78 Мбит/с восьмиразрядных слов. Выход данных и синхроимпульсов совместим с ТТЛ-уровнями. Потребляемая мощность – 165 мВт при питании 3,3В. MAX 3681 преобразует последовательный поток данных (622 Мбит/с ) в 155 Мбит/с поток четырехразрядных слов. Его дифференциальные данные и синхроимпульсы поддерживают низковольтный дифференциальный сигнал интерфейса LVDS (рис. 5.25).

Микросхема MAX3693 (рис. 5.26) преобразует четыре LVDS потока данных передаваемых со скоростью 155 Мбит/с в последовательный поток в 622 Мбит/с. Необходимые для передачи синхроимпульсы синтезируются с помощью встроенного контура фазовой автоподстройки частоты, который содержит управляемый напряжением генератор, усилитель петлевого фильтра и фазочастотный детектор, требующий только внешних опорных синхроимпульсов. При питании 3,3 В потребляемая мощность составляет 215 мВт. Последовательные выходные сигналы данных являются стандартными дифференциальными сигналами положительной эмиттерно-связанной логики.

Основной задачей лазерного драйвера MAX3669 (рис. 5.27) является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования излучения лазерного диода. Для повышения гибкости дифференциальные входы принимают потоки данных PECL, а также дифференциальные колебания напряжения уровнем до 320 мВ (двойная амплитуда) при уровне питающего напряжения Vcc=0,75 В. Изменяя внешний резистор между выводом BIASSET и землей, можно регулировать ток смещения от 5 до 90 мА, а резистором между выводом MODSET и землей можно регулировать ток модуляции от 5 до 60 мА. Типовая схема подключения MAX3669 к лазерному модулю показана на рис. 5.28. Данные поступают в параллельном 4-разрядном коде и по синхросигналам преобразуются в последовательный поток данных преобразователем MAX3693. От этого преобразователя сигналы в последовательном формате передаются в лазерный драйвер MAX3669, который формирует модулирующий сигнал с требуемыми параметрами для управления излучением лазерного диода.

Достаточно подробную подборку материалов по вопросам применения этих компонентов можно найти на сайте www.rtcs.ru, компании Rainbow Technologies, официального дистрибьютора MAXIM в странах СНГ.

Рис. 5.25. Подключение оптического приемника к шине данных с помощью LVDS-интерфейса

Рис. 5.26. Функциональная схема MAX3693

Рис. 5.27. Функциональная схема MAX3669

MAXIM выпускает также набор ИС серии MAX38xx для построения волоконно-оптического интерфейса с производительностью 2,5 Гбит/с. Так, например, драйвер лазера с автоматическим управлением модуляцией MAX3865 (рис. 5.29) имеет следующие отличительные особенности:

•                                             однополярное напряжение питания 3,3 или 5 В;

•                                             потребление 68 мА

•                                             работа с производительностью до 2,5 Gbps (NRZ);

•                                             управляемая обратная связь;

•                                             программируемые токи смещения и модуляции;

•                                             длительность падающих/нарастающих фронтов 84 пс;

•                                             мониторинг токов модуляции и смещения;

•                                             детектор сбоев;

•                                             защита от ESD.

Рис. 5.28. Типовая схема подключения МАХ3669 к лазерному модулю

Рис. 5.29. Типовая схема подключения МАХ3865 к лазерному модулю

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты