Контрольная работа по "Волоконно-оптические системы передачи"

 

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Что такое модуляция?
2. В чем заключается сущность прямой модуляции в схемах с полупроводниковыми источниками оптического излучения?
3. Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции?
4. Какие шумы возникают при модуляции (перечислить)?
5. Как уменьшить нелинейные искажения при модуляции?

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	0	5	10	15	18	20	22	24	26	28
P1, мкВт	0	15	30	45	60	90	160	230	310	370

 

 

Ответ:

1. Что такое модуляция?

Процедура переноса спектра из низких частот в область высоких частот называется модуляцией.

2. В чем заключается сущность прямой модуляции в схемах с полупроводниковыми источниками оптического излучения?

При прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

3. Почему происходит  искажение сигналов при прямой  модуляции?

 При модуляции интенсивности  выбирается линейный участок  ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина  М до 90%, однако при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра.

4. Какие шумы возникают при модуляции?

Шумы обусловленные спонтанным излучением; шумы обусловленные изменением температуры и тока (дробовый шум); шумы обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном; шумы перескока моды; шумы частотной модуляции.

5. Как уменьшить нелинейные  искажения при модуляции?

Использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация, предискажение.

Задача 3

Ток смещения I=10 мА.

Амплитуда тока модуляции Im=10 мА.

Определим из графика

Pmax = 90 мкВт.

Pmin = 0 мкВт.

Для определения глубины модуляции используем соотношение:

(в разах).

 

Рис. Ватт - амперная характеристика

4. Фотоприемники для  оптических систем передачи

Задание

Ответьте письменно на следующие вопросы:

1. Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?
2. Какие основные характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?
3. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?
4. Что такое длинноволновая граница чувствительности?
5. Чем отличается конструкция и принцип действия лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции диода p-i-n?
6. Что значит быстродействие фотодиода?
7. Перечислите шумы фотодиодов.

Задача 4

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 4.1. Используя график и данные таблиц 4.2 и 4.3. Определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Таблица 4.1

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	1,78

 

 

Ответ:

1. Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?

К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

• Высокая чувствительность;
• Требуемые спектральные характеристики и широкополосность;
• Низкий уровень шумов;
• Требуемое быстродействие;
• Длительный срок службы;
• Использование в интегральных схемах.

2. Какие основные характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?

Величина фототока, спектральная чувствительность, широкополостность, темновой ток, быстродействие, динамический диапазон.

3. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?

Длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p - n перехода на высоких частотах.

4. Что такое длинноволновая граница чувствительности?

Как видно из данной формулы:

 

величина фототока при заданных и 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:

 

 

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны

 

 

называемой длинноволновой границей чувствительности.

5. Чем отличается конструкция и принцип действия лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции диода p-i-n?

В ЛФД имеется слой с сильным электрическим полем, которое придаёт дополнительную энергию образующимся под действием света электронам.

В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда.

6. Что значит быстродействие фотодиода?

Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

7. Перечислите шумы фотодиодов.

Основные виды шумов фотодиода: тепловой, дробовой и избыточный, который обратно пропорционален частоте модуляции. В зависимости от схемы включения преобладает тепловой шум или избыточный.

Задача

Мощность излучения Pu=0.5 мкВт; Длина волны

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	1,78

Рисунок 4.1

Определим величину фототока из соотношения:

;

где S=0.54А/Вт – чувствительность, определённая графически.

 

;

Определим графически длинноволновую границу чувствительности:

;

Определим материал для изготовления прибора исходя из соотношения:

;

Делаем заключение, что для изготовления данного прибора используется германий.

 

5. Фотоприемные  устройства оптических систем передачи

1. Чем отличается прямое фотодетектирование от фотодетектирования с преобразованием?

При прямом фотодетектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал:

Оптический

Сигнал                                                                    Электрический

                                                                                         Сигнал

 

Электросигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока, который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом.

При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал:

 

 

Электросигнал

                                                                                   Оптический

                                                                                            Сигнал

 

 

2. Какие функциональные блоки входят в схему фотоприемного устройства (ФПУ) с прямым детектированием?

 

 

 

СЭ - согласующий элемент; ФД – фотодетектор; ПУС - предварительный усилитель; К - противошумовой корректор; ГУС - главный усилитель; ФК – фильтр – корректор; АРУ - автоматическая регулировка усиления.

 

Через согласующий элемент (СЭ) оптический сигнал подаётся на фотодетектор (ФД). ФД преобразует оптический сигнал в электрический. ФД представляет собой ЛФД или p-i-n фотодиод. Предварительный усилитель (ПУс) усиливает электрический сигнал. В состав Пус может входить противошумовой корректор К, который срезает шумы за пределами полосы частот. Главный усилитель Гус обеспечивает усиление, необходимое для работы последующих устройств. Фильтр-корректор ФК корректирует амплитудную частотную характеристику линейного тракта, компенсируя искажения. Схема автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает требуемый динамический диапазон входных сигналов.

 

3. Из каких элементов состоит входная цепь фотоприемного устройства с прямым детектированием?

Фотодиод, предварительный усилитель на полевом или биполярном транзисторе, корректор (L,C).

4. Как устроена входная цепь фотоприемного устройства детектирования с преобразованием?

Во входной цепи излучение опорного оптического генератора складывается с оптическим сигналом в оптическом гибридном соединителе  и подается на вход схемы ФПУ.

5. Как соотносятся между собой электрическая и оптическая полосы частот пропускания ФПУ?

С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприёмным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос. Полоса пропускания оптическая оценивается по уменьшению входной мощности на 3 дБ:

;

Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:

;

Т.о. можно сравнить:

Уменьшение величины фототока в 2 раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности составит 3 дБ.

 

6. Что используется для восстановления цифрового сигнала после ФПУ?

Регенератор

Задача 5.

Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) и фотодетектор (p-i-n).

Rэ=1000 кОм=1000*103 Ом.

Сэ=2 пФ.=2.10-12 Ф.

ηвн=0,38

 М=1

Fш(М)=1

Т=280

Дш=2

Кус=1000

Характеристики передачи:

Pпер=0 дБм.

L=60 км.

α=0,6 дБ/км.

l=0,85 мкм.

Полоса частот усиления ФПУ с ИУ ограничена полосой пропускания входной цепи ФПУ 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;

а - 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:

 

 

 

 

6. Оптические усилители для оптических систем передачи

1. Какие типы усилителей могут применяться в оптических системах передачи?

Полупроводниковые (усилители бегущей волны); волоконные (эрбиевый, празеодимовый, неодимовый, тулиевый, иттербиевый); нелинейные (Романовский, на механизме Мендельштампа – Бриллюэны).