Реферат: Волоконно-оптические системы передачи данных
Задача 1
Определить затухание (ослабление), дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим (погонным) затуханием (ослаблением) a(дБ/км) на длине волны излучения передатчика l(мкм), ширине спектра излучения Dl0,5на уровне половины максимальной мощности излучения.
Длина секции L=113 км.=113.103м.
Тип волокна — LEAF (одномодовое оптическое волокно со смещённой ненулевой дисперсией).
Затухание α=0,24 дБ/км.=0,24.10-3дБ/м.
Длина волны λо=1,56 мкм.=1,56.10-6м.
Спектр ∆λ0,5=0,15 нм.=0,15.10-12м.
Хроматическая дисперсия D=4,2 пс/(нм.км)
Результирующее максимальное затухание секции находится из соотношения:
αм=α.L+αс.Nс дБ.
где:
αс– потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля (αс= 0,05 дБ)
Nс – число стыков, определяемое:
Nс = Е[L/lС–1] = 113/2–1 = 55
где:
lС= 2 км.
αм= 0,24.10-3.113.103+0,05.55 = 29,87 дБ.
Результирующая совокупная дисперсия секции находится:
/>с.
Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения:
/>Гц.
Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от ∆Fови их формы, которую принято считать прямоугольной или гауссовской:
Вг=1,34.∆Fов=1,34.5,25.106=7,03.106бит/с.
Задача 2
Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри – Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).
Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн Dl при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.
Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде lО при коэффициенте отражения R.
Изобразить конструкцию полоскового лазера FP.
Изобразить модовый спектр.
Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L.
Изобразить конструкцию лазера DFB.
Конструкция полоскового лазера FP:
/>
Модовый спектр:
/>
Конструкция лазера DFB:
/>
Параметры лазера FP:
Длина лазера L=300 мкм.=300.10-6 м.
Dl=45 нм.=45.10-9 м.
n=3,3.
lО=0,4 мкм.=0,4.10-6 м.
R=0,39.
Частота моды определяется из соотношения:
/>
где:
С – скорость света (3.108 м/с),
m – номер моды,
L – длина резонатора,
n – показатель преломления.
Расстояние между модами определяется из соотношения:
/>м.
--PAGE_BREAK--Добротность резонатора на центральной моде l0определяется из соотношения:
/>
Число мод в интервале Dl определяется отношением:
M=Dl/Dlm=45.10-9/0,8.10-10=556,9
Параметры лазера DFB:
Длина лазера L=250 мкм.=250.10-6 м.
Порядок решётки m=7.
Шаг решётки d=0,7 мкм.=0,7.10-6 м.
Показатель преломления nэ=3,68.
Для определения длины волны и частоты генерации одномодового лазера DFB необходимо воспользоваться соотношениями:
l0.m=2d.nэ =>
/>м.
/>Гц.
/>Гц.
Задача 3
Построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него.
Для заданных тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h. По построенной характеристике указать вид источника.
I, мА
5
10
15
18
20
22
24
26
28
P1, мкВт
15
30
45
60
90
160
230
310
370
Ток смещения I=13 мА.
Амплитуда тока модуляции Im=4 мА.
/>
Рис. Ватт — амперная характеристика.
Pmax= 46 мкВт.
Pmin= 33 мкВт.
Для определения глубины модуляции используем соотношение:
/>(в разах).
Задача 4
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным.
Используя график и данные определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.
Чувствительность, А/Вт
0,3
0,45
0,53
0,58
0,62
0,67
0,7
0,73
0,65
0,1
Длина волны, мкм.
0,85
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
продолжение--PAGE_BREAK--
1,78
Мощность излучения Pu=2,0 мкВт.
Длина волны l=1150 нм.=1,15 мкм.
/>
При решении задачи необходимо учесть соотношения:
/>
/>
/>
где:
ЕФ– энергия фотона,
е – заряд электрона = 1,6.10-9Кл,
ηВН– внутренняя квантовая эффективность фотодиода = 0,5,
h – постоянная Планка= 6,26.10-34Дж.с,
С – скорость света = 3.108м/с.
По графику определяем, что материал для изготовления прибора — германий.
Энергия фотона:
/>эВ.
Ток фотодиода:
/>А.
Чувствительность фотодиода:
/>А/Вт
Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением:
/>
где:
Еgдля германиевых диодов = 0,66 В.
/>мкм
Задача 5
Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) или транс-импедансный усилитель (ТИУ) и фотодетектор (ЛФД или p-i-n).
Характеристики ФПУ:
Тип ФД: ЛФД.
Тип усилителя: ТИУ.
Rэ=90 кОм=90.103Ом.
Сэ=3,8 пФ.=3,8.10-12Ф.
ηвн=0,8 М=15.
Fш(М)=7.
Т=310.
Дш=5.
Кус=150.
Характеристики передачи:
Pпер=0 дБм.
L=60 км.
α=0,6 дБ/км.
l=0,85 мкм.
Полоса частот усиления ФПУ с ТИУ ограничена полосой пропускания усилителя и находится из соотношения:
/>Гц
Фототок детектора создаётся падающей оптической мощностью и зависит от типа фотодетектора. Величина фототока вычисляется из соотношений:
/>Вт
/>А.
где:
h — постоянная Планка;
е — заряд электрона;
ηВН— внутренняя квантовая эффективность;
М — коэффициент умножения ЛФД;
РПР— мощность сигнала на передаче;
Α — километрическое затухание кабеля;
L — длина кабельной линии.
Для вычисления основных шумов ФПУ, а это квантовый и тепловой шумы, необходимо воспользоваться соотношениями:
/>Вт.
/>Вт.
где К- постоянная Больцмана 1,38.10-23
Отношение сигнал/шум вычисляется из соотношения:
/>
продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
Задача 6
Используя приложения для оптических интерфейсов аппаратуры SDH, определенных рекомендациями МСЭ-Т G.957, рассчитать число промежуточных регенераторов и расстояние между ними.
Составить схему размещения оконечных и промежуточных станций с указанием расстояний. Определить уровень приема РПР[дБ] на входе первого, считая от оконечной станции, регенератора, вычислить допустимую вероятность ошибки одного регенератора.
Тип оптического интерфейса: S-4.1
Затухание оптического кабеля αк=0,5 дБ/км.
Дисперсия оптического кабеля D=3 пс/(нм.км)
Длина линии L=1247 км.
Строительная длина кабеля Lс=4,5 км.
Затухание на стыке длин αс=0,09 дБ.
Из таблицы к методическим указаниям:
Pпер.макс= -4 дБ – излучаемая мощность.
Pпр.мин= -32 дБ – минимальный уровень оптической мощности.
Расстояние между регенераторами определяется из соотношения:
/>
где:
А – энергетический потенциал оптического интерфейса:
A=Pпер.макс.-Рпр.мин.=-4-(-32)=28 дБ.
Э – энергетический запас на старение передатчика и приёмника и восстановление повреждённых линий, рекомендуется:
Э=3 дБ.
αк— затухание оптического кабеля, дБ/км
αс— затухание на стыке строительных длин, дБ
Lс- строительная длина кабеля, км
/>км.
Число регенераторов определяется из соотношения:
/>
Совокупная дисперсия регенерационного участка определяется соотношением:
σ=D.∆λu.Lp
где:
∆λu=0,5.∆λ0,5
∆λ0,5— среднеквадратическая ширина спектра источника излучения на уровне 0,5 от максимальной мощности, что соответствует обозначению –3 дБм от максимального уровня.
Для интерфейса S-4.1 приведено значение на уровне –3 дБм это 2,1 нм.
∆λu=0,5.∆λ0,5=0,5.2,1=1,05 нм.
σ=D.∆λu.Lp=3.1,05.48,07=151,44 пс.
Необходимо проверить совокупную дисперсию для регенерационного участка. Она должна быть меньше приведённой в таблице приложения для интерфейса.
По данным таблицы максимальная хроматическая дисперсия составляет 90 пс/нм, т. е. условие не выполняется: 3.48,07 = 144,21 пс/нм что больше 90 пс/нм.
Производим пересчет длины регенерационного участка, чтобы совокупная дисперсия не превышала максимальной хроматической.
LP=90/3=30
для того чтобы обеспечить запас выберем длину регенерационного участка равной 29 км.
Тогда:
3.29 = 87 пс/нм что меньше 90 пс/нм, т.е. условие выполняется.
Число регенераторов определяем из соотношения:
/>
Допустимая вероятность ошибки одного регенератора вычисляется из норматива на ошибки для магистрального участка сети 10000 км:
Pош=10-7
Таким образом на 1 км линии:
Pош=10-12
Вероятность ошибки вычисляется из соотношения:
/>
Минимальную длину участка регенерации определяют по нижеприведённой формуле, уменьшая в ней энергетический потенциал А на величину D.
D-динамический диапазон регенератора (D=20-26 дБ), примем D=23 дБ.
/>
Уровень приёма Pпрна входе регенератора:
Pпр=Рпер-αк.Lp=-4-0,5.48,07=-28,04 дБ.
Схема размещения оконечных и промежуточных станций:
/>