РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКТА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ НАСТРОЙКИ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКОГО ТРАКТА

July 15, 2012 by admin Комментировать »

Осинский В. И., Воронько А. А, Мержвинский П. А., Карпинский К. Б. Центр оптоэлектронных технологий НИИ Микроприборов, г. Киев, Украина Тел.: (044) 4347655; e-mail: a7@ukr.net Институт кибернетики им. В. М. Гпушкова НАН Украины Тел.: (044) 2664296; e-mail: merg@carrier.kiev.ua


зультаты экспериментальных измерений для lnGaAs/lnP фотодиодов с разными размерами фоточувствительной области приведены на рис. 2.

Аннотация Разработан комплект измерительных приборов, включающего измеритель средней мощности с увеличенным диапазоном уровней (от +3 до -70 дБм), оптический тестер с интегрированным источником оптического излучения, измеритель мощности с расширенными сервисными функциями и «оптический пробник» для наблюдения формы оптических сигналов. Приведены основные характеристики приборов. Рассмотрена функциональная схема базовой конструкции измерителя средней мощности IT1701, описаны механизмы работы, требования и особенности применения функциональных подсистем.

I.  Введение

Наладка и эксплуатация интенсивно развивающихся оптоволоконных цифровых систем передачи информации, немыслимы без контроля параметров оптических цепей и сигналов в линии связи, а также режимов работы активных оптических компонент. Один из сегментов данной задачи создание относительно простого измерительного оборудования нового поколения, отличающегося технологичностью изготовления и улучшенными характеристиками. Созданный комплект приборов позволяет измерять следующие характеристики и параметры волоконнооптического тракта и его активных компонент:

1.    Затухание оптических сигналов в одномодовом и многомодовом оптоволокне на используемых длинах волн.

2.    Временные характеристики оптических сигналов (глаз-диаграммы, джиттер).

3.    Стабильность оптических параметров передающих лазерных модулей во времени и при воздействии внешних факторов.

4.    Измерение и контроль эксплуатационных параметров оптических регенераторов.

II.   Основная часть

Разработанные приборы содержат традиционные подсистемы, реализующие следующие функции:

•      Детектирование оптических сигналов и усиление электрических до уровней, воспринимаемых современными АЦП.

•      Аналого-цифровое преобразование обеспечивающее необходимую точность и разрешающую способность;

•      Обработка цифровых данных измерений и управление режимом измерений, взаимодействием с индикатором, клавиатурой и внешним интерфейсом.

Базовой моделью является измеритель средней мощности оптического излучения IT1701 ( рис. 1). Назначение и особенности применения функциональных элементов состоят в следующем.

1.  Фотодиод. Осуществляет преобразование измеряемого оптического потока в электрический ток. В зависимости от нужного спектрального диапазона используется Ge, Si или InGaAs/lnP фотодиод. Ре

Рис. 1. Функциональная блок-схема измерителя оптической мощности

Fig. 1. Functional flowchart of optical power meter

Одним из определяющих критериев выбора фотодиода для измерителя оптической мощности является минимальное значение темнового тока 1т и линейность его ваттамперной характеристики во всем требуемом динамическом и температурном диапазоне. При этом надо отметить, что фотодиод практически работает в фотовольтаническом режиме при Rh->0, что затрудняет выполнение условия линейности ваттамперной характеристики при большой мощности оптического сигнала Р>1+2 мВт. Для компенсации температурной зависимости применяют различные программно схемотехнические методы, особенно это актуально при использовании Ge фотодиода.

2.  Логарифмический усилитель. Основные требования: обеспечение прецизионности преобразования u = k Ig (1ф) в большом (7 декад) динамическом и температурном (-10 + +45 С) диапазоне.

Отметим некоторые трудности, связанные с реализацией процесса прецизионного логарифмирования. В данной схеме процесс логарифмирования входного сигнала происходит благодаря нелинейности р-n перехода, включенного в цепь ОС операционного усилителя (ОУ) рис. 3. Для данной схемы [при ибэ>100 мВ] справедливо соотношение

Анализируя уравнение (2) видно, что транзистор Т2 компенсирует изменение падения напряжения 11бэ в транзисторе Т1, связанное с изменением температуры, но наклон данной зависимости (множитель кТ/q, li<= f(l>bs) ) от температуры не компенсируется, это довольно существенно, т.к. изменение температуры на 10°С приводит к изменению наклона графика на l|<= fflJss) примерно на 10%. Для компенсации данной температурной зависимости необходимо обеспечить выполнение следующего условия:

/

которое реализуется путем применения терморезистора с нужным температурным коэффициентом сопротивления.

Основные требования для выбора ОУ А1 (рис. 3)

–    это низкие значения входного тока (1Вх<1 нА) и напряжения смещения VCM с одной стороны и их минимальным температурным дрейфом ( VCM(t), lBx(t) ) с другой стороны поэтому не следует сразу отдавать предпочтение ОУ с полевыми транзисторами на входе, основываясь на том, что у них входные токи гораздо ниже, чем у биполярных ОУ.

Диапазон точного логарифмирования при низких значениях входного тока(<10" А), особенно при изменении температуры, ограничен параметрами применяемого ОУ А1, а при больших (10"3 А) уровнях 1вх соответственно действием напряжения 1к Гб, (Гб — сопротивление области базы транзистора, зависит от типа транзистора и лежит в пределах 0,25 10 Ом ).

3.  Аналого-цифровой преобразователь. Основные параметры разрядность и частота дискретизации. Предпочтительным является использование 12 разрядного преобразователя с частотой дискретизации до сотен кГц. Однако могут применяться более высокочастотные либо с большей разрядностью, например дельта-сигма преобразователи. Поскольку частота входного сигнала не критична, удобнее использовать АЦП с последовательным интерфейсом передачи данных.

4.  Блок индикации’. 4 разрядный семисегментный ЖКИ или матрица ЖКИ. Основное требование: достаточно большие цифры для удобства работы, наличие подсветки и надежность работы в условиях заданного температурного диапазона, малое энергопотребление.

Рис. 3. Электрическая схема логарифмического усилителя

Fig. 2а. Spectrum graph of InGaAs/lnP photodiode

с.

Рис. 2а. Спектральная характеристика In-GaAs/lnP фотодиода

Fig. 3. Logarithmic amplifier schematics

Рис. 26. Вольтфарадная характеристика Fig 2b. Voit-farad InGaAs/inP characteristics

5.   Микропроцессорный контроллер. Выполняет формирование сигналов управления на АЦП, обработку данных с АЦП, также вмещает драйвер клавиатуры и ЖКИ, формирует опорные сигналы на внешние устройства. На нем реализованы все сервисные функции прибора (автоматическое отключение, звуковая индикация, обработка нажатий кнопок клавиатуры ).

Конструктивно прибор выполнен в противоударном пластиковом корпусе (рис. 4), помещенном в защитный кожаный чехол. Основные технические характеристики приведены в табл. 1.

В сравнении с выпускаемыми в настоящее время приборами данного класса IT1701 обладает более низким током потребления, лучшими массогабаритными характеристиками, малой инерционностью измерений, имеет более расширенный диапазон рабочих температур и меньшую стоимость.

Таблица 1.

Основные характеристки

Значения

Длины волн калибровки, нм

850, 1310, 1550

Диапазон измеряемых мощностей оптического излучения, дБм

(-70,0 …+ 3,0)

Полная погрешность измерения абсолютного уровня мощности ( в диапазоне мощностей -60,0 дБм + 3,0 дБм), не более

±0,5 дБ (±10%)

Разрешение цифровой индикации прибора, дБм

0,1

Оптический интерфейс сменные адаптеры типа

FC, ST, SC, Лист X

Габаритные размеры, мм

150x80x40

Рис. 5. Внешний вид панелей управления ПО моделирования

Приборы IT 1702, IT 1703 имеют аналогичные характеристики, кроме спектральных, т.к. в них используются Ge и Si фотодетекторы соответственно.

Прибор IT 1704 специально разработан для измерения параметров оптического тракта кабельного телевидения, т.е. с диапазоном измеряемых мощностей оптического излучения: + 25 Дбм 50 Дбм.

На базе IT 1701 разработан оптический тестер IT 1705 с одним или двумя источниками излучения (по выбору потребителя).

IT1707 измеритель средней мощности оптического излучения. Имеет более расширенные сервисные функции по сравнению с базовой моделью (пять длин волн калибровки, наличие встроенной энергонезависимой памяти для сохранения результатов измерений, встроенный порт RS-232, отображение в ДБ или Вт. Он также позволяет измерять среднее относительно выбранного уровня мощности значение по выбранному количеству измерений. Последнее дает возможность использовать его для тестирования параметров передающих модулей во времени, а при необходимости и при воздействии внешних факторов (t °С и т.д.). Программное обеспечение для прибора разработанное на базе среды Delphi с возможностью работы со встроенной базой данных. Общий вид ПО для работы с измерителем средней мощности оптического излучения представлен на рис. 5.

Надо также отметить удобство и наглядность данной программы при моделировании работы прибора в учебных целях. В данной модели, в отличие от предыдущих, существенно расширено функциональное применение микроконтроллера при анализе оптического сигнала, что позволило повысить точность измерений по сравнению с другими моделями.

Особое место среди рассматриваемых приборов заслуживает IT1709 это измеритель оптической мощности с дополнительным фотодетектором (характеристики некоторых из них приведены ниже), что совместно с осциллографом дает возможность определять импульсные характеристики оптического сигнала.

Основное назначение данного прибора это применение для настройки оптимальных электрооптических режимов передающих лазерных модулей при их производстве, настройке и эксплуатации.

Для определения импульсных характеристик оптического сигнала и исследования глаз-диаграмы разработан ряд фотодетекторов оптических конверторов. Они отличаются типами применяемых фотодиодов, спектральными характеристиками, шириной полосы пропускания (усиления), наличием усилителя и конструктивным исполнением.

Учитывая, что для решения большинства задач достаточно применение фотодетекторов без усилителя (unamplified detector), приведем характеристики только для данного класса приборов (табл. 2).

Таблица 2

Тип

прибора

Спектральный диапазон нм

Ширина

полосы

пропус

кания,

МГц

Коэффициент оптоэлектронного преобразования при Rh=50 Ом, B/W

Тип

адапте

ра

IT201

400-1100

10

35 (к = 850)

FC, ST, ЛИСТ-Х

IT202

400-1100

50

35 (X = 850)

FC, ST

IT 102

650-1750

50

о

о

СП

II

<4,

О

FC, ST

IT304

900-1700

350

О

о

СП

II

<4,

О

FC, ST

IT305

900-1700

800

35 (X = 1300)

FC, ST

Один из возможных вариантов конструктивного исполнения показан на рис. 6. В настоящее время ведется разработка фотодетекторов, как с усилителем, так и без него с шириной полосы пропускания ~ 2 ГГц ( lnGaAs/lnP детектор) и 5 ГГц ( GaAs МПМ структура, интегрированная с GaAs усилителем).

III.   Заключение

Таким образом разработан новый класс оптоэлектронных измерительных устройств, основанных на последних достижениях по излучателям, фотоприемникам, микропроцессорной технике и оригинальном программировании и отличающихся повышенной точностью, расширенными сервисными функциями и пониженным энергопотреблением.

IV.   Список литературы

1.    А. Г. Алексеенко, Е. А. Коломбат, Г. И. Стародуб. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.Радио и связь 1981 223 с.

2.    Сундучков К. С., Оси некий В. И., Ильченко М. Е. Воронько А. А. и др. Функциональная и технологическая интеграция в микроволновой оптоэлектронике. Сборник материалов 6-й международной крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, 16-

19 сентября 1996 г., стр. 25-33

3.    Воронько А. А., Мержвинекий П. А. Разработка измерительного комплекса для активных оптоэлектронных компонент ВОЛС. — В кн.: 11-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сентября 2001 г.]. — Севастополь: Вебер, 2001. ISBN 966-7968-00-6,

IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

4.    А. А. Воронько, П. А. Мержвинский. Применение микроконтроллеров в устройствах измерения параметров волоконно-оптических сигналов. Винница. SPIE 2002.

A SET OF MEASURING DEVICES FOR INSTALLING AND CONTROLLING FIBEROPTIC PATHS

Osinskiy V. I., Voronko A. A., Merzhvinskiy P. A., Karpinskiy К. B.

Centre for Optoelectronic Technologies, Microdevices Research Institute Kyiv, Ukraine phone +380 (44) 4347655, e-mail: a7@ukr.net

V.  M. Glushkov Institute of Cybernetics,

National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv, Ukraine

phone +380 (44) 2664296, e-mail: merg@carrier.kiev.ua

Abstract A set of measuring devices has been developed comprising an average power meter with enhanced level ranging (from +3 to -70 dB), an optical tester with an integrated optical radiation source, a power meter with advanced service capabilities and an ‘optical probe’ to monitor the shape of optical signals. The principal specifications of the devices are listed. A flowchart of the basic design the IT 1710 average power meter is reviewed, its operating units, features of implemented functional subsystems and operational requirements are described.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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