ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКАЯ связь – ЧАСТЬ 2

November 17, 2011 by admin Комментировать »

Таким образом, наибольший интерес для волоконно-оптической связи с точки зрения получения низких оптических потерь представляет диапазон длин волн 0,8…1,8 мкм, в котором поглощение света в стеклах обусловлено в основном примесями пере-

ходных металлов, а чакже гидроксильными группами. Чистота применяемых в настоящее время исходных соединений (хлоридов кремния, германия и др.), а также успехи технологии изготовления световодов обеспечивают пренебрежимо малый вклад указанных примесей в полные потери. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что минимум оптических потерь в кварцевом стекле, обусловленных фундаментальными механизмами, расположен вблизи Я=1,5 мкм и составляет около 0,2 дБ/км. При укорочении длины волны потери возрастают из-за рэлеевс- кого рассеяния света как Аг4 и в спектральной области ОД.. …0,9 мкм, в которой работают полупроводниковые лазеры на основе GaAlAs и кремниевые фотодетекторы, составляют около 2 дБ/км. Таким образом, с точки зрения обеспечения минимальных оптических потерь и максимальной информационной полосы пропускания волоконных световодов на основе кварцевого стекла наиболее перспективным спектральным диапазоном для волоконно-оптической связи является диапазон 1,3…1,6 мкм. Другое преимущество работы ВОСС в этой спектральной области — по крайней мере на порядок более высокая (чем для области 0,8… …0,9 мкм) радиационная стойкость стеклянных волоконных световодов.

В настоящее время существует несколько способов изготовления волоконных световодов, удовлетворяющих требованиям разработчиков ВОСС. Наибольшие успехи достигнуты в технологии изготовления волоконных световодов из кварцевого стекла, легированного различными элементами, в качестве которых чаще всего используют германий, фосфор, бор, фтор. Легирование необходимо для создания разности показателей преломления материалов сердцевины и оболочки, а также для подбора некоторых теплофизических параметров (температуры плавления, коэффициента линейного расширения и т. п.). Технология изготовления в настоящее время является двухступенчатой. Сначала изготавливается заготовка, представляющая собой стеклянный стержень, имеющий уже волноводную структуру (т. е. сердцевину и оболочку). Затем из заготовки вытягивается волоконный световод, одновременно покрываемый полимерным материалом.

Технология изготовления заготовок световодов основана на химическом осаждении материала световода из газовой фазы, причем исходными являются особо чистые летучие галиды (хлориды кремния, германия, бора, фосфора). Из одной заготовки вытягивают от 10 до 100 км волоконного световода диаметром 125 мкм.

Типичные значения оптических потерь в многомодовых световодах составляют 3…4 дБ/км в спектральной области 0,8…0,9 мкм и 0,5…1 дБ/км в области 1,3…1,6 mikm. Для одномодового световода (с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного германием, и оболочкой из кварцевого стекла) оптические потери близки к теоретическому пределу, обусловленному фундаментальными механизмами потерь, за исключением пика поглощения на волне 1,4 мкм, обусловленного остаточным содержанием в стекле гид- роксильных групп (рис. 3). Минимальные оптические потери составляют 0,2 дБ/км на волне 1,55 мкм.

В зависимости от типа и качества световода стоимость много- модовых волоконных световодов на мировом рынке составляет от нескольких десятков центов до 1 долл. за метр, а стоимость одно- модовых световодов составляет от 1 до 5 долл. за метр. Однако разработка технологии стеклянных волоконных световодов далека от завершения. Продолжаются интенсивные исследования повышения производительности технологического процесса, воспроизводимости параметров световодов, поиск новых технологических решений. Поэтому в ближайшие годы ожидается существенное снижение стоимости связанное также с увеличением объема выпуска световодов.

Волоконно-оптическая связь является еще очень молодым направлением в технике связи. Годом рождения этого направления можно считать 1970 г., когда были изготовлены стеклянные волоконные световоды с потерями менее 20 дБ/км и получена непрерывная генерация полупроводникового лазера на основе GaAlAs. Именно эти два крупных достижения сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. И сейчас, спустя 15 лет, это направление науки и техники находится в стадии становления. Не только элементная база и ВОСС, но и принципы волоконно-оптической связи непрерывно развиваются. Тем не менее уже можно выделить определенный этап, закончившийся к началу 80-х гг., когда были разработаны и испытаны в реальных условиях ВОСС первого поколения.

В настоящее время наибольший интерес для ВОСС представляют два спектральных диапазона: 0,8…0,9 и 1,3…1,6 мкм. Для первого имеются миниатюрные и «долгоживущие» источники излучения — лазерные диоды и светоизлучающие диоды на основе GaAlAs. Срок их службы составляет в настоящее время около 105 ч без заметного изменения мощности излучения. В этом диапазоне хорошо работают кремниевые фотодетекторы. Стеклянные волоконные световоды имеют довольно низкие оптические потери в этой области. Диапазон длин волн 1,3…1,6 мкм перспективен тем, что волоконные световоды на основе кварцевого стекла имеют здесь наименьшие значения оптических потерь и материальной дисперсии. В последние годы для этого диапазона разработаны «долгоживущие» полупроводниковые лазеры и фотодетекторы на основе InGaAsP. Кроме того, в этом диапазоне широко используют германиевые лавинные фотодиоды. Поэтому в последние годы интенсивные усилия направлены на создание широкополосных дальних ВОСС для этого диапазоне длин волн.

Если вернуться к ВОСС первого поколения, то все они работали в диапазоне 0,8…0,9 мкм. Скорость передачи информации в этих системах, как правило, не превышала 100 Мбит/с. В качестве источников излучения использовались как лазерные, так и светоизлучающие диоды, последние для передачи информации со скоростью не более нескольких десятков мегабит в секунду. Использовались только многомодовые световоды со ступенчатым или распределенным профилем показателя преломления с потерями менее 10 дБ/км, чаще всего 4…6 дБ/км. Параметр широко- полосности градиентных световодов составлял 500…600 МГц-км. Расстояние между ретрансляторами колебалось от единиц до 10 км. Информация передавалась как в аналоговой, так и в цифровой форме.

Во всех без исключения системах применялась простая модуляция интенсивности излучения лазера (или светоизлучающего диода) через цепь питания, а в приемнике с помощью фотодетектора осуществлялось прямое преобразование поступающей оптической мощности в фототок.

Большинство ВОСС первого поколения использовали во внутригородских телефонных сетях связи и кабельном телевидении. Из других систем следует отметить системы связи внутри учреждений, бортовые системы, системы контроля и управления мощными электростанциями.

Интерес к применению ВОСС во внутригородских телефонных сетях определяется возможностью установки ретрансляторов на больших расстояниях друг от друга, легкостью прокладки волоконно-оптического кабеля и надежностью работы. Для проверки надежности отдельных элементов и всей системы в условиях, близких к реальным, были испытаны системы связи со скоростью передачи информации 8, 34, 140 Мбит/с в Европе и 44, 7 Мбит/с в США. Тщательно измерялись параметры всех элементов (источников, приемников, разъемов, волоконных световодов и др.), и не было обнаружено ухудшения их. Был сделан вывод, что разработка указанных систем находится в рамках возможностей существующей технологии.

Создание систем волоконно-оптического кабельного телевидения вызвано прежде всего наличием в больших городах зон неуверенного приема телевизионных сигналов, обусловленных экранировкой радиоволн высотными зданиями, рельефом местности и т. д.

При использовании коаксиальных кабелей необходимо устанавливать ретрансляторы на расстоянии менее 1 км. Применение волоконно-оптических линий, работающих в спектральной области 0,8…0,9 мкм, позволяет увеличить это расстояние до 10 км, а в диапазоне 1,3… 1,6 мкм — еще больше. Результаты испытания систем волоконно-оптического кабельного телевидения, в том числе подключение в мае 1984 г. к жилому дому на Уральской улице г. Москвы экспериментальной волоконно-оптической линии для передачи телевизионных сигналов, показали реальную перспективу широкого использования волоконных световодов для кабельного телевидения в больших городах.

Применение волоконных световодов в сетях контроля и управления мощными электростанциями связано, прежде всего, с их невосприимчивостью к электромагнитным помехам. Еще в 1975— 1976 гг. в Японии проведены испытания, в которых цифровые данные со скоростью 6,3 Мбит/с и видеосигналы передавались по волоконно-оптическому кабелю на расстояние в несколько километров. После успешного завершения испытаний ряд японских компаний стали использовать волоконные световоды в сетях контроля и управления.

Таким образом, ВОСС первого поколения продемонстрировали техническую возможность их использования в реальных условиях, показали надежность основных элементов, таких как полупроводниковые лазеры, волоконные световоды и волоконно-оптические кабели, фотоприемники, разъемы, согласующие элементы и другие.

Однако в этих системах не были реализованы многие главные преимущества волоконно-оптической связи — высокая скорость передачи информации, большое расстояние между ретрансляторами, компактность.

В настоящее время ведется разработка и внедрение волоконно-оптических систем связи второго поколения. Для них характерны: использование одночастотных источников излучения и од- номодовых волоконных световодов, большое расстояние между ретрансляторами, сравнительно высокая скорость передачи информации, использование спектрального диапазона 1,3…1,6 мкм, применение спектрального уплотнения каналов и элементов интегральной оптики.

Создание одномодовых волоконных световодов с потерями 0,5…0,2 дБ/км в области длин волн 1,3… 1,6 мкм и соответствующих долгоживущих (порядка 105 ч) полупроводниковых лазеров на основе InGaAsP открыло возможности для построения широкополосных линий дальней связи. К сожалению, в волоконных световодах на основе кварцевого стекла область нулевой материальной дисперсии (вблизи Х=1,3 мкм), где параметр широко- полосности световодов максимален, не совпадает с областью минимальных оптических потерь (вблизи 1,55 мкм). В связи с этим возможны различные пути построения широкополосных линий с большим расстоянием между ретрансляторами. Использование длины волны излучения лазера (Х=1,3 мкм), совпадающей с областью минимальной дисперсии, позволило передавать информацию со скоростью около 100 Мбит/с на расстояние до 100 км без ретрансляторов. Однако наиболее перспективным представляется создание и использование одномодового одночас- тотного лазера с длиной волны около 1,55 мкм, совпадающей с областью минимума оптических потерь световода. Тогда вследствие узкого спектра излучения такого лазера материальная дисперсия практически не будет ограничивать дальность передачи информации. Именно таким путем были достигнуты рекордные дальности при сравнительно высокой скорости передачи информации. В одном эксперименте информация передавалась со скоростью 445,6 Мбит/с на расстояние 134 км без ретрансляторов с вероятностью ошибки Ю-10. Для этого использовался полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, работающий на волне 1,53 мкм, с шириной спектра излучения менее Ю-4 мкм. Фотодетектором служил германиевый лавинный фотодиод. Отдельные отрезки одномодового волоконного световода с затуханием 0,23 дБ/км на волне 1,53 мкм соединялись сваркой, средние потери на одно сварное соединение составляли 0,14 дБ. Затухание световода длиной 134 км составляло 34,1 дБ.

В других экспериментах информация передавалась со скоростью 100 Мбит/с на расстояние 101 км и со скоростью 420 Мбит/с на расстояние 160 км без ретрансляторов. В обоих случаях использовался термостабилизированный полупроводниковый лазер с составным резонатором, имеющий ширину спектра модулированного излучения около Ю-4 мкм.

Описанные эксперименты показали реальную возможность создания широкополосных ВОСС с расстоянием между ретрансляторами свыше 100 км. Такие системы перспективны для кабельного телевидения, для магистральных, транс- и межконтинентальных линий связи.

Остановимся на проекте прокладки трансатлантической волоконно-оптической линии связи, принятом недавно США, Канадой и рядом европейских стран. Этот проект ярко характеризует возможности волоконно-оптической связи и состояние дел в этой области.

В 1955—1956 гг. фирма «Белл Телефон» разработала и установила трансатлантическую систему связи на подводном коаксиальном кабеле, позволяющем передавать 48 3-кГц каналов и имеющую расстояние между ретрансляторами 70 км. Чтобы увеличить пропускную способность коаксиальной системы, необходимо уменьшить расстояние между ретрансляторами и увеличить диаметр коаксиального кабеля. Последнее поколение коаксиальной системы связи позволяет передавать 4200 каналов при расстоянии между ретрансляторами 9,4 км. Планируемое следующее поколение должно обладать пропускной способностью 16 000 каналов при расстоянии между ретрансляторами всего 4,3 км. Однако быстрое развитие волоконно-оптической связи позволило заменить коаксиальную систему волоконно-оптической. Согласно новому проекту волоконно-оптическая линия будет обладать информационной емкостью 12 000 каналов на пару волоконных световодов при расстоянии между ретрансляторами около 35 км. Длина предполагаемой линии 6500 км, максимальная глубина Атлантического океана на трассе 6,5 км. Волоконно-оптический кабель будет содержать до 12 одномодовых световодов с потерями менее 1 дБ/км при длине волны 1,3 мкм. Внешний диаметр кабеля 25 мм.

Вначале предполагается ввести в действие 4… 6 волоконных световодов. В качестве источника излучения планируется использовать полупроводниковый лазер на InGaAsP, работающий на волне 1,3 мкм, в качестве фотодетектора—р—i—я-диод из InGaAsP. Срок службы лазера должен составлять 5-Ю5 ч. Был разработан и испытан в условиях, соответствующих глубине погружения

4.8    км, одномодовый волоконно-оптический кабель. В результате с точностью до 0,04 дБ/км не обнаружено изменения оптических потерь от приложенного давления в интервале температур 3…30°С.

К преимуществам волоконно-оптической системы связи следует отнести вдвое меньшую стоимость по сравнению с эквивалентной коаксиальной системой; возможность увеличения информационной полосы пропускания за счет увеличения скорости передачи информации по одному световоду, подключения запасных световодов, а также спектрального уплотнения каналов; возможность разветвления волоконно-оптического тракта.

Мы уже отмечали огромную информационную полосу пропускания одномодовых световодов: параметр широкополосности в области, близкой к нулю материальной дисперсии, около 100 ГГц-км. Спектральная область прозрачности волоконных световодов на основе кварцевого стекла простирается от 0,6 до

1.9     мкм, если ограничить ее потерями менее 10 дБ/км. Отсюда ясно, что принципиально можно многократно увеличить информационную полосу пропускания волоконного световода, если передавать информацию по одному волоконному световоду с помощью излучения на волнах различной длины. Этот способ увеличения объема передаваемой информации получил название спектрального уплотнения каналов. Реально спектральная область, пригодная для передачи информации, значительно уже, но и в этом случае возможно уплотнение десятков каналов. Главными задачами, возникающими при реализации спектрального уплотнения каналов, являются создание излучателей, работающих на различных, но достаточно близких длинах волн, и устройств объединения каналов на входе волоконной линии и разделения каналов на выходе (мультиплексеров и демультиплексе- ров).

К настоящему времени разработаны и испытаны волоконно- оптические линии, в которых число спектрально уплотненных каналов достигает четырех. В этих линиях использовались лазеры с сильно разнесенными длинами волн излучения (четыре канала в спектральной области от 0,81 до 1,3 мкм). Развязка каналов превышала 30…40 дБ при дополнительных потерях 3 дБ. Такие устройства пригодны для практики. Однако спектральное уплотнение начнут широко применять, по-видимому, тогда, когда будут созданы компактные мультиплексеры и демультиплексеры на основе элементов интегральной оптики. Отметим, что спектральное уплотнение каналов позволяет наращивать пропускную способность уже действующих линий связи.

Успешное развитие волоконной оптики в последние 10—15 лет и возникновение на этой основе таких перспективных направлений науки и техники, как волоконно-оптическая связь и волоконно-оптические датчики различных физических полей, стимулировали все возрастающий интерес к интегральной оптике. В результате за это время был сделан большой шаг в развитии технологии и были разработаны многочисленные элементы на основе пла- нарных волноводов. Однако лишь в последние годы появились сообщения об устройствах, объединяющих в единой оптической схеме на одной подложке различные элементы интегральной оптики, и гибридных устройствах, объединяющих на одной подложке оптоэлектронные и чисто электронные элементы. Большинство элементов интегральной оптики, используемых в волоконно- оптической связи (модуляторы, переключатели и др.), изготавливают из материалов на основе ниобата лития. Однако в последнее время большое внимание уделяется полупроводниковым материалам, таким как GaAs и InGaAsP. В этом случае открываются широкие возможности объединения на одной подложке излучателей, модуляторов, переключателей, фотоприемников, электронных и оптических усилителей и т. д.

Наибольшее внимание уделяется устройствам на основе одномодовых волноводов вследствие высокого быстродействия и совместимости с одномодовыми волоконными световодами. Примером такого устройства является электрооптический 2X1 и 3×1 переключатель (модулятор) на основе Ti: LiNb03 для длины волны 1,3 мкм с переключающим напряжением 5 В, частотой модуляции до 6 ГГц.

Эксперименты по модуляции излучения лазера и по временному уплотнению каналов показали перспективность применения этого устройства в системах связи со скоростью передачи информации свыше 1 Гбит/с. Отметим, что прямая модуляция излучения в полупроводниковых лазерах при таких скоростях передачи информации затруднена.

Среди других устройств интегральной оптики, разработанных в последнее время для ВОСС, представляет интерес отражательный волноводный решеточный фильтр на основе InGaAsP для длины волны 1,5 мкм. По сравнению с аналогичными фильтрами на стекле в данном случае имеется возможность электрической подстройки и объединения на одной подложке с фотодетектором. Пиковая отражательная способность фильтра превышает 99% при полосе (6…80) • 10~4 мкм. Фильтр будет применяться в устройствах спектрального уплотнения каналов. Здесь же следует отметить первый одномодовый решеточный мультиплексер с вол- новодным концентратором на основе Ti: LiNbOs для уплотнения шести каналов в спектральной области 1,3…1,6 мкм. И, наконец, упомянем о наиболее интересном устройстве — ретрансляторе на основе GaAlAs, в котором на одной подложке объединены лазер, транзистор и фотодиод.

Приведенные примеры демонстрируют большие успехи в создании компактных элементов и устройств на основе интегральной оптики и реальные перспективы их использования в разрабатываемых в настоящее время ВОСС второго поколения.

Остановимся теперь па перспективах развития волоконно-оптической связи. Из задач, стоящих перед техникой связи, всегда будут актуальными увеличение дальности связи (или, точнее, расстояния между рентрасляторами) и повышение скорости передачи информации. Ближайшей перспективой существенного увеличения расстояния между ретрасляторами является переход к когерентным методам передачи информации. Уже упоминалось, что в настоящее время во всех ВОСС используется прямое детектирование оптического сигнала. Переход к гетеродинному детектированию позволит увеличить чувствительность приемника на 20 дБ. Для когерентных систем связи необходимы высокостабильные лазеры с шириной спектра излучения 10… 100 кГц. Поскольку прямая модуляция полупроводниковых лазеров приводит к расширению спектра излучения, то в таких системах наиболее целесообразно использовать внешнюю модуляцию. Для повышения эффективности работы когерентного приемника необходимо согласование поляризаций оптического сигнала и излучения гетеродина либо с помощью одномодового световода, поддерживающего состояние поляризации проходящего излучения, либо с помощью сервоконтроля поляризации, в результате которого поляризация входного сигнала отслеживается и согласуется с поляризацией излучения гетеродина. При этом, как показали эксперименты, чувствительность фотоприемника увеличивается на 16 дБ. Высказанные ранее соображения показывают перспективность широкого использования устройств интегральной оптики в когерентных системах связи. Так, в передатчике представляется целесообразным объединять на одной подложке высокостабильный лазер, модулятор и мультиплексер, а в приемнике целесообразно объединять 3-дБ направленный ответвитель, контроллер поляризации и фотодетектор.

Другим путем увеличения расстояния между ретрансляторами является разработка волоконных световодов с еще более низкими потерями. Было показано, что минимально возможные оптические потери в световодах из кварцевого стекла составляют около 0,2 дБ/км на волне 1,55 мкм. Однако имеется ряд материалов, кристаллов и стекол, которые могут иметь потери на один и даже два порядка ниже, чем кварцевые стекла. Среди них — халь- когенидные и флюоридные стекла, минимум оптических потерь в которых составляет около 10~2 дБ/км и расположен в области спектра 5…6 и 3…4 мкм соответственно. В настоящее время уровень оптических потерь в световодах из указанных стекол достигает 10 дБ/км (флюоридные стекла) и 100 дБ/км (халькогенид- ные стекла) и определяется примесным поглощением. Предстоит еще большая работа по очистке исходных соединений, по совершенствованию технологии и исследованию механизмов оптических потерь, чтобы получить волоконные световоды из этих материалов с предельно низкими потерями.

Отметим еще одну возможность увеличения информационной полосы пропускания волоконных световодов. Известно, что короткий световой импульс, распространяясь по волоконному световоду, расширяется и это ограничивает его информационную полосу пропускания. Однако исследование нелинейных оптических явлений в одномодовых волоконных световодах позволило реализовать так называемый солитонный режим распространения коротких оптических импульсов, когда световой импульс может распространяться без изменения формы либо периодически менять свою форму в процессе распространения по световоду. Такой режим возможен при совместном действии двух эффектов — нелинейной фазовой самомодуляции, приводящий к увеличению спектральной ширины импульса, и отрицательной дисперсии групповой скорости, приводящей к временному сжатию импульса. Недавно солитонный режим распространения оптических импульсов был реализован в одномодовых световодах на основе кварцевого стекла. Необходимы дальнейшие исследования этого режима, и в частности выяснение возможности его использования для перс- дачи большого объема информации на расстояния в сотни километров. Однако это потребует создания волоконных световодов с более низкими потерями.

 

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