Контрольная работа по "Волоконно-оптические системы передачи"

Федеральное агентство связи

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

Межрегиональный центр переподготовки специалистов

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

По дисциплине: Волоконно-оптические системы передачи

 

 

 

Выполнил: Максимов П.А.

Группа: РДЗ-11

Вариант: 06

 

Проверил: ___________________

 

 

 

 

Новосибирск, 2011 г

 1.  Основы построения оптических систем передачи

Задание:

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1)Какие диапазоны длин волн (частоты  электромагнитных колебаний) применяются в системах передачи атмосферной и волоконно-оптической связи?

2)Из каких укрупненных компонентов  состоит структурная схема волоконно-оптической  системы передачи (ВОСП)?

3)Что представляет собой линейный  тракт ВОСП?

4)Какие виды мультиплексирования  применяются в оптических системах передачи?

5)Что такое WDM, DWDM и какое различие  между ними?

Ответ:

1. Диапазон длин волн в ВОСП выбирается исходя из требований минимального затухания сигнала. Поэтому сигнал излучается на длине волны в окнах прозрачности (где затухание минимально) – 0.85; 1.33; 1.55 мкм.

Наибольшее применение для оптической связи имеет диапазон, который называется ближней инфракрасной зоной (λ=1,6 - 0,8 мкм; f=). Его использование обусловлено двумя факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещённой зоны ряда п\проводников; этот диапазон отличается наибольшей прозрачностью в таких средах распространения волн как стекловолокно и воздушная атмосфера.

2) Структурная схема ВОСП состоит  из источника сигнала(1), кодера(2), оптического передатчика(3), линии связи(4), повторителя(5), оптического приемника(6), декодера(7), получателя сигнала(8).

3) 1 - электронные мультиплексоры  основных информационных потоков  уровня DS0 и информационный поток  уровня DS1 в коде НDВ3:

2 - электронный мультиплексор и преобразователь стыкового кода НDВЗ в линейный код:

3 - блок согласования (накачки) излучателя (4) с выходом устройства преобразования  кода 3:

4 - излучатель оптического сигнала (лазер или светоизлучающий диод):

5 - блок стабилизации выходной оптической мощности излучателя и стабилизации температуры;

6 - фотодетектор:

7 - источник электрического напряжения  смещения для фотодетектора;

8 - широкополосный электронный  усилитель электрического сигнала, выделяемого в нагрузке фотодетектора;

9 - преобразователь линейного кода в коды DS1 и демультиплексор;

10 - демультиплексоры сигналов в  коде уровня DS1 в сигналы уровня DS0;

11 - ОР - оптические разъемы;

12 - ОК - оптический кабель.

 

 

4) В ВОСП используются следующие  методы мультиплексирования:

1.Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDМ)

2. Плотное волновое уплотнение  оптических несущих (DWDМ)

3. Оптическое временное уплотнение (ОТDМ)

5) WDM, DWDM – это методы мультиплексирования  в ВОСП. Суть этих методов состоит  в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны λm, и разнесенных в пространстве с помощью специальных устройств — оптических мультиплексоров (ОМ) — объединяются в один оптический поток λ1,..... λm, после чего он вводится в оптическое линейное волокно, входящее в состав оптического кабеля. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования.

Разница между WDM и DWDM заключается в уменьшения частотного интервала между спектральными каналами от 100 ГГц(у WDM)  до 50 ГГц и даже до 25 ГГц(у DWDM).

Задача

Определить затухание (ослабление), дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L=163 (км), километрическим (погонным) затуханием (ослаблением) a=0,24 (дБ/км) на длине волны излучения передатчика l0=1,56 (мкм), ширине спектра излучения Dl0.5=0,15 (нм) на уровне половины максимальной мощности излучения.

Хроматическая дисперсия D=4,2 пс/(нм*км)

Найдем результирующее максимальное затухание секции из соотношения:

, [дБ] (1), где

– потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля ( = 0,05 дБ);

- длинна секции (L=163 км);

- погонное затухание (а= 0,24 дБ/км)

- число стыков, определяемое:

км, получаем ;

Тогда, , дБ

Результирующая совокупная дисперсия секции находится из соотношения:

Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения:

Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от D FОВ и их формы. В нашем случае импульсы гауссовской формы, значит: бит/с

 

 

2 Источники оптического  излучения для систем передачи

Задание:

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?
2. Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?
3. Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?
4. Какими факторами определяется величина мощности оптического излучения, вводимого от источника в стекловолокно?
5. Каким образом формируется и направляется излучение в атмосферных системах передачи?

 

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 D l при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.

Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде l О 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.

Ответ:

1. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?

• сигнал излучается на длине волны в окнах прозрачности (где затухание минимально) – 0.85; 1.33; 1.55 мкм;

• большая доля световой энергии должна попадать в ОВ;(т.е. потери должны быть минимальными) ;
• на выходе источника излучения должно обеспечиваться требуемое значение уровня мощности;
• изменение параметров окружающей среды должно оказывать минимальное влияние на источник излучения.

 

2. Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?

  Ответ: Чаще всего  в оптических передатчиках систем  связи применяют две конструкции  лазеров: многомодовый лазерный  диод полосковой геометрии с резонатором Фабри-Перо (Ф-П) и лазер с распределённой обратной связью (РОС или DFB) одномодовый.

Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создаётся волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1-1 мкм. В нём с помощью источника электротока создаётся инверсная населённость. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

                                                                              электрод

                                                                           Конструкция

                                                                             полоскового р+ GaAs

                                                                          лазераp+ AlGaAs (оболочка)

                                                                           p+ GaAs (активный слой)

                                                                           n+ AlGaAs (оболочка)

                                                                        n+ GaAs (подложка)

                                                 электрод зеркало Ф-П

 

                                                                              электрод

                                                                                       p+ InGaAsP

                                                                                          p+ InP

                                                                              p InGaAsP (активный)

                                                                                         n+ InGaAsP

                                                                                       n+ InP (подложка)

                                                                                        электрод

Структура лазера РОС.

 

3. Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?

Резона́тор Фабри́ — Перо́ — является основным видом оптического резонатора и представляет собой два соосных, параллельно расположенных и обращенных друг к другу зеркала, между которыми может формироваться резонансная стоячая оптическая волна. В лазерах одно из зеркал делается обычно более пропускающим для преимущественного вывода излучения в этом направлении.

Виды оптических резонаторов типа Фабри-Перо:1. плоско-параллельный;  2. концентрический (сферический);  3. полусферический;  4. конфокальный; 5. выпукло-вогнутый.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Условие образования стоячих волн:

m=1, 2, 3…- число полуволн.

Открытый резонатор способствует разряжению мод по сравнению с объёмным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.

Важной характеристикой резонатора является его добротность:

 

 

где R – коэффициент отражения зеркала.

4. Какими факторами определяется величина мощности оптического излучения, вводимого от источника в стекловолокно?

Величина мощности зависит от спектральной характеристики и диаграммы направленности. Чем она уже тем лучше.

5. Каким образом формируется и направляется излучение в атмосферных системах передачи?

Ответ: В атмосферных оптических системах связи основная сложность состоит в изменчивости атмосферной прозрачности и рефракции оптического луча. Т.е., осуществить строгую фокусировку луча от передатчика к приёмнику не представляется возможным. Для того, чтобы получить максимальную мощность в приёмном устройстве, необходимо учесть не только направленные свойства источника излучения, но и апертуру приёмника, дифракционные искажения при выводе излучения в атмосферу, рефракцию и поглощение в атмосфере и согласующих устройствах.

В плоскости приёмной апертуры должно формироваться изображение излучаемой мощности от передатчика. Для этого используется система расширения светового коллимированного пучка. Это уменьшает расходимость, обусловленную дифракцией света.

Благодаря расширителю пучка получены угловые расходимости лазерного излучения в пределах 0,5-3 мрад при мощности передатчика от 10 до 45 мВт и дальности передачи от 0,5 до 5 км.

Задача 2

Конструкция полоскового лазера FP:

 

Модовый спектр:

Конструкция лазера DFB:

Параметры лазера FP:

Длина лазера L=200 мкм.=200.10-6 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:

 

Гц

где:

С – скорость света (3.108 м/с),

m – номер моды,

L – длина резонатора,

n – показатель преломления.

Расстояние между модами определяется из соотношения:

 

м

Добротность резонатора на центральной моде l0 определяется из соотношения:

Число мод в интервале Dl определяется отношением:

 

M=Dl/Dlm=45.10-9/1.212.10-10=371.25

 

Параметры лазера DFB:

Длина лазера L=100 мкм.=100.10-6 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.

3.  Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона