Типичные параметры полупроводниковых источников света.
|
Параметр |
Светоизлучающий диод типа Брусса |
Краевой излучатель |
Лазер (полосковая геометрия) |
|
Вводимая в световод мощность, мкВт: сердечник 50 мкм; числовая апертура 0,2 сердечник 200 мкм; числовая апертура 0,3 Время нарастания импульса, нс Ширина спектра, нс |
1-10 20-200
10-50 40 |
200-100 100-500
3-10 40 |
500-2000 2000-5000
0,3-1 20 |
Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции. Светоизлучающие диоды прежде всего “медлительнее” лазеров. В зависимости от конструкции имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть модулированы частотами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде более высокой выходной мощности (см. табл.).
Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот. Это свойство может играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в минимальных пределах.
Глава седьмая
СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ
7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию (передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).
Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника, которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в акустические или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы нет. Все существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет электрического тока.
На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен, но еще не готов к техническому воплощению.
Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах). Этот восстановленный электрический сигнал вторично используют для управления лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает усиленный световой сигнал.
7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
В оптических системах связи, в которых на выходе каждого отдельного световода должен быть установлен чувствительный фотоприемник, вводятся два прибора которые могут, быть выполнены методом микроэлектронной технологии. Речь идет о p-i-n фотодиоде и лавинном фотодиоде. Оба используют внутренний фотоэффект, который проявляется в этом специальном случае непосредственно в окрестностях р-n перехода.
7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
Понятие, которое имеет решающее значение для функционирования каждой системы связи, — помехи.
Насколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети питания или отказов каких-либо элементов, встречающиеся в каждом приборе или устройстве, настолько же не одинаковы помехи, вызванные электромагнитными полями. Это поля, создаваемые плохо экранированными электродвигателями, радиоизлучениями автомобилей, часто вызывающими сильные помехи в радио или телевизионной аппаратуре, и т. ц.
В условиях отсутствия шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать длину усилительного участка. Требуется только соответственно увеличивать мощность сигнала, поступающего на вход приемника. Но шум существует и уменьшает чувствительность каждого приемника и возможности каждого усилителя. Если мощность полезного сигнала на входе меньше мощности помех, то сигнал перекрывается ею и не может быть выделен приемным устройством или усилен. Даже когда сигнал и помехи имеют почти одинаковую мощность, шум становится довольно значительным. Причины и источники шумна разнообразны. К ним относятся корпускулярные шумы электрического тока (дробовой шум), температурные шумовые процессы, шумы квантования световых пучков. Источник света сам вносит в систему шумовые составляющие, добавляют их также фотодиод и оконечный электронный усилитель. Если используется лавинный фотодиод, то возникают дополнительные шумовые составляющие из-за эффекта умножения в этом элементе.
Если рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то можно установить, что различные шумовые источники проявляют себя в нем тем или иным способом. Вместо чистой формы сигнала, которой модулировалась выходная мощность светового сигнала передатчика, на вход приемника поступает сигнал, амплитуда которого случайным образом более или менее меняется вблизи данного значения. Средние значения соответствуют истинной форме переданного сигнала, но мгновенные значения отклоняются от заданного вследствие влияния помех. Первоначальный сигнал можно лишь приблизительно выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.
7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТ БЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?
Основная задача — обеспечение того, чтобы посланный сигнал с достаточной для соответствующей цели точно воспроизводился в приемнике, т. е. разработчик будет пытаться по возможности приблизиться к первоначальной (правильной) форме сигнала путем получения среднего значения по возможно большому количеству мгновенных значений сигнала, искаженного помехой. Для этого служат, различного рода электрические фильтры. Конечно, для усреднения амплитуды сигнала можно использовать только такое количество мгновенных значений сигнала, чтобы сами полезные изменения сигнала не были сглажены и не оказались из-за этого потерянными. То, что остается после этой фильтрации, более не уничтожается. С этим разработчик системы должен считаться и, например, выбирать длину передающей линии настолько короткой, чтобы мощность сигнала не оказалась близкой к мощности шумового фона.
Для инженера связи из этой модели формирования среднего значения следует важный вывод: качество передачи сигнала при одинаковом уровне помех тем лучше, чем медленнее изменяется сигнал (так как тем большими могут быть интервалы времени усреднения и тем точнее получаемый результат) и чем меньше необходимая для данной цели ширина полосы частот (пропускная способность).
Из этих рассуждений ясно, что для фотоприемника имеется нижняя граница мощности принимаемого сигнала. На этой границе мощность сигнала в определенное число раз больше суммарной мощности шумов, которые появляются в приемнике. Этот коэффициент обозначается как отношение сигнал/шум и выражается в децибелах. Если необходимо передать двоичные сигналы, то достаточно, например, отношения сигнал/шум (в электрическом сигнале), равного 18 дБ. Это означает, что полезная мощность приблизительно в 63 раза больше, чем наложенная шумовая мощность, что позволяет осуществить достаточно достоверное распознавание одиночного импульса. Если, напротив, необходимо передать непрерывные сигналы, которые реагируют на помехи гораздо чувствительнее, чем двоичные, то отношение сигнал/шум должно быть выше и в зависимости от рода сигнала и требуемого его количества должно достигать 30 — 60 дБ.
По крайней мере существуют два других фактора, которые, как и ослабление, ограничивают длину усилительного участка: материальная дисперсия и модовая дисперсия. С увеличением длины усилительного участка они вызывают уширение посланного импульса и при этом тем большее, чем выше пропускная способность линии. Так как модовая дисперсия зависит от конструкции световода (для световода с градиентным профилем показателя преломления она гораздо меньше, чем при ступенчатом показателе), то тип применяемого световода при заданной пропускной способности линии, пожалуй, гораздо сильнее ограничивает дальность действия, чем ослабление. Таким же образом, ограничивая длину линии световода с малой модовой дисперсией и малым ослаблением, можно влиять на ширину спектра источника света (например, использовав светоизлучающий диод).
Итак, на вопрос о дальности действия оптической связи однозначного ответа может не быть, так как имеется ряд факторов, влияние которых необходимо учитывать при проектировании.
Глава восьмая
МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ
Абоненты — это не только мы сами или наши соседи, с которыми мы хотим общаться дома или на работе. Это все увеличивающееся число машин, выдающих и принимающих информацию.
В сети связи, только распределяющей информацию (например, радио- или телевизионной), абонент расположен на большой линии коллективного пользования, из которой он получает для себя необходимую информацию. В телефонной сети, которая передает разговоры, каждый абонент имеет до любого места (в основном до оконечной коммутационной станции) свою собственную линию. Только после этого несколько, а затем множество сигналов абонентов объединяются в пачку и передаются совместно, чтобы на конце вновь разъединиться на отдельные линии, которые ведут к желаемым собеседникам.
Еще в середине 70-х годов существовала уверенность в том, что эта часть сети, состоящая из отдельных проводников, должна остаться металлической из экономических соображений. Впоследствии это мнение изменилось.
Здесь прежде всего имеем дело с видом материала. Около 70% меди, расходуемой на кабели связи, приходится на абонентские сети, хотя диаметры проводников выбраны настолько малыми, насколько это возможно. Если бы в будущем отрезки линий, передающих сигналы, выполнялись на оптических элементах, то можно было бы сэкономить только лишь треть затрат на медь, а абонентские сети необходимо было бы опять строить в каждом квартале новостроек.
Дальнейшим важным направлением являются постоянно растущие информационные потоки в промышленности, хозяйстве, а также в быту.
Радио- и телевизионная связь станут в ближайшем будущем встречаться в каждом доме, и необходимость устройства абонентских вводов во многих странах превышает их экономические возможности. Только в учреждения и на заводы в ближайшие годы придут новые службы, польза и рентабельность которых сегодня общепризнанны: телекопирование, конторский телетайп, электронная почта, передача данных в самом широком смысле слова, телеметрия, телеуправление и мониторное оборудование для различных технических устройств. Для индивидуальных абонентов техника также движется вперед. Уже испытываются известные во многих странах мира способы, с помощью которых абонент сможет выбрать тексты, таблицы, диаграммы и воспроизвести их на собственном экране.
Абонентские линии, которые мы сегодня прокладываем, должны быть подготовлены для многих потребностей последующего десятилетия. Нынешнюю систему электрической связи можно использовать только в качестве речевого канала с небольшой полосой пропускания. Такая связь пригодна для конторского телетайпа, а также для передачи данных. Уже при телекопировании необходимо длительное время копирования — в лучшем случае свыше одной минуты на каждую страницу формата АЧ, и каждое повышение скорости требует увеличения полосы пропускания. До конца 80-х годов — таков прогноз британского ведомства связи — в Англии до 50 % почты должно передаваться электронным образом.
Но окончательно необходимо будет отказаться от сегодняшнего абонентского симметричного кабеля с медными проводниками, если потребуется хотя бы одно-единственное движущееся изображение. Тогда будет необходим дорогой коаксиальный кабель или световод.
Такой прогноз развития в будущем является основой, которую учитывают при создании широкополосной связи каждой квартиры по крайней мере с близлежащей коммутационной станцией. Как должна выглядеть техника оптической связи будущего, в частности упомянутая сеть оптической связи, какие и сколько различных сигналов должно быть в этой многоцелевой абонентской сети и как они должны будут передаваться, никто еще сегодня конкретно и окончательно сказать не может. Хотя некоторые рабочие положения сформулированы. Сообразно с ними телефонная связь (разговор и вызывной сигнал) должна осуществляться в обоих направлениях, а кроме того, должен передаваться и телевизионный сигнал. В соответствии с этим каждый абонент получает отдельную оптическую широкополосную линию, к которой прежде всего подключен его телефон и затем, возможно, видеотелефон и другие высокоскоростные устройства.
Ряд вопросов при этом останется открытым. Один из них — энергоснабжение аппарата абонента. Телефон, питаемый сегодня через сигнальные проводники станционного источника питания, в дальнейшем не будет иметь электрической связи с коммутационной станцией. Таким образом он должен будет получать энергию от местной силовой сети. К этой идее привыкли. Обычно электрическая передающая техника будущего ставит те же требования автономного электропитания, правда, по другим причинам. При этом электрическая развязка (абонентов и коммутационной станции), которая обусловлена применением световодной техники, окажется целесообразной с экономической точки зрения.
Оптическая абонентская сеть, широкополосный аппарат абонента в каждой квартире более не являются утопией.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) Глазер В. “Световодная техника” М. Энегроатомиздат 1985г.
2) Савельев И. В. “Курс общей физики” М. Наука 1978, 1982г.
