Волоконно-оптические сети

Волоконно-оптические сети

Введение

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

) излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна (меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550нм);

) источник излучения должен выдерживать необходимую модуляцию для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

) источник излучения должен быть эффективным (чтоб большая часть излучения попадало в волокно с минимальными потерями);

) стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой;

) источник излучения должен иметь большую мощность, чтоб передавать сигнал на большие расстояния (но чтоб излучение не приводило к нелинейным искажениям и не повредило волокно или оптический приемник)

Два основных типа источника, удовлетворяющие требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Основным элементом ПРОМ является фотоприемник, изготавливаемый из полупроводникового материала. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения заряда носителей. Для этого используется конструкция с p-n переходом - фотодиод. Из фотоприемников, применяемых в ВОЛС получили распространение : лавинные фотодиоды, фототранзисторы, p-i-n фотодиоды.

оптический излучение ток

Исходные данные:

Т а б л и ц а 1 - Исходные данные

Т а б л и ц а 2 - Исходные данные

Т а б л и ц а 3 - Исходные данные

Т а б л и ц а 4 - Исходные данные

Т а б л и ц а 5 - Исходные данные

Задание 1

По данным таблицы 1 построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него. Для заданных (по варианту) тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов (см.таблицу 2) определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h . По построенной характеристике указать вид источника.

Ток смещения I, мА=14

Амплитуда тока модуляции Im, мА=6

Рисунок 1 - Зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока

Увеличим требуемый промежуток для более наглядного отображения:

Согласно графику (рисунок 2):= 55 мкВт= 2,5 мкВт.

Для определения глубины модуляции используем соотношение:

 (1.1)

Задание 2

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 3. Используя график и данные таблиц 4-5, определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Рисунок 3 - Зависимость чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения

По построенному графику зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения учесть соотношения:

, (2.1)

, (2.2)

, (2.3)

где:

ЕФ - энергия фотона,

е - заряд электрона = 1,6.10-9 Кл,

ηВН - внутренняя квантовая эффективность фотодиода = 0,5,- постоянная Планка= 6,26.10-34 Дж.с,

С - скорость света = 3.108 м/с.

По графику определяем, что материал для изготовления прибора - германий.

Возьмем h ВН равной 0,5

Энергия фотона:

Ток фотодиода:

Чувствительность фотодиода:

.

Величина фототока при заданных λ и ηен определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

. (2.4)

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества, может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны называемой длинноволновой границей чувствительности.

Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением:

, (2.5)

где Еg - ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого сделан фотодиод.

Пусть фотодиод сделан из германия. Тогда Еg=0,661 эВ. Следовательно:

Заключение

Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой диода (рисунок). Где 1 - лазерный диод, 2 - светодиод.

Исходя из зависимости выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока (рисунок 1) можно сделать вывод, что источником оптического излучения был светодиод. Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены шире, чем лазерные диоды.

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Носители заряда - электроны и дырки - проникают в активный слой (гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Длина волны излучения связана с шириной запрещенной зоны активного слоя и законом сохранения энергии  .

Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников : токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжние; рабочий диапазон температур; наработка и отказ.

Список литературы

1        Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. - 267 с.

2        Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. - М.: SYRUS SYSTEMS, 1999. - 671 с.

         Гауэр Дж. Оптические системы передачи. Пер с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 501 с.

         Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET и WDM). - М.: Радио и связь, 2000. - 468 с.

         Волоконно- оптические системы передачи и кабели. Справочник под ред. Гроднева И.И., Мурадяна Р.М. и др. - М.: Радио и связь, 1993. - 264 с.

         Фокин В.Г. Волоконно-оптические системы передачи с подвесными кабелями на воздушных линиях электропередачи и контактной сети железных дорог. - Новосибирск, СибГУТИ, 2000. - 94 с.

         Фокин В.Г. Аппаратура и сети доступа. - Новосибирск, СибГУТИ, 2000. - 114 с.

         Фокин В.Г. Аппаратура систем синхронной цифровой иерархии. Издание 2-е, исправленное и дополненное. - Новосибирск, СибГУТИ, 2001. - 60 с.