Аналогові та цифрові оптичні передавальні пристрої (стр. 2 из 3)
Вирішуючи (9) відносно (і - βР), та розклавши це рішення у ряд за ступенями (1 + βа) , обмежуючись першими двома членами ряду, маємо
,звідки знаходимо
(11)Таким чином, знайдено вираз для ват-амперної характеристики випромінювача при наявності від’ємного зворотного зв’язку. Порівнюючи (11) з виразом для ВтАХ без зворотного зв’язку (8), можна зробити висновок, що продукти нелінійності зменшилися у (1 - βа)2 разів, але одночасно в (1 - βа) разів зменшується і потужність випромінювання. Таким чином, коефіцієнт зворотного зв’язку вибирається на основі компромісу між вимогами низького рівня нелінійних спотворень, з одного боку, та зменшенням вихідної потужності - з другого. Для більшості світлодіодів постійні коефіцієнти дорівнюють а≈10-2 Вт/А, b≈0,5 А.Для зменшення нелінійних спотворень також застосовується метод фазорізнецевої компенсації, аналогічний тому, що використовується у підсилювачах. Але цей метод вимагає застосування розподільників оптичної потужності та оптичного мультиплексора. Крім цього, світлодіоди повинні мати ідентичні ВтАХ. Цей метод дозволяє усувати лише парні гармоніки.Таким чином, наведені методи компенсації нелінійних викривлень розширюють можливості аналогових ВОСП.
2. Цифрові оптичні передавальні пристрої
У волоконно-оптичних системах передачі оптичне випромінювання модулюється дворівневими сигналами ("0" та "1") кодів, які застосовуються у світловодних трактах. У цифрових оптичних передавальних пристроях найчастіше використовуються лазерні випромінювачі, оскільки нелінійність їх ВтАХ не впливає на параметри таких систем. До того ж лазери мають більшу оптичну потужність та більш високу швидкодію. В низькошвидкісних системах та системах невеликої протяжності (наприклад, локальні інформаційно-обчислювальні мережі, системи для з΄єднувальних ліній міської телефонної мережі) можуть бути використані і світлодіоди.
Вибір робочої точки на ВтАХ випромінювача в цифрових ОПерП залежить від типу випромінювача. У разі використання СД застосовується схема включення СД без постійного зміщування струму накачування (рис. 8), тому робоча точка розташовується на початку ВтАХ.Якщо у цифровому ОПерП використано лазерний випромінювач, необхідно застосувати схему з попереднім зміщенням (рис.9), при цьому значення постійного струму зміщення повинно дорівнювати значенню порогового струму або перевищувати його. Положення робочих точок та епюри сигналів для випромінювачів різних типів наведені на рис. 9.У разі використання СД можливе використання принципової схеми, наведеної на рис. 3.
Лазерні випромінювачі потребують більшого, ніж світлодіоди струму накачування (100-200) мА, тому у схемах ГСН досить часто застосовується схема Дарлінгтона, або складового транзистора (рис.10).
Рисунок 9 - Положення робочої точки та епюри сигналів для цифрових ОПерП: з світлодіодом (а) та лазерним випромінювачем (б)
Рисунок 10 – Використання схем Дарлінгтона в ОПерП з невисокою (а) та підвищеною швидкодією (б)
Така схема буде діяти як один транзистор, при цьому коефіцієнт передачі струму бази β дорівнює добутку цих параметрів кожного з транзисторів схеми. Ця схема також забезпечує узгодження опорів джерела сигналу та випромінювача.
Пара транзисторів VT1 та VT2 вибирається в залежності від потрібного струму накачування. Транзистор VT2 повинен бути більш потужним, ніж VT1. З’єднані таким чином (рис.10 а) транзистори поводять себе як один транзистор з досить низькою швидкодією. Для підвищення швидкодії складового транзистора використовується резистор R. Звичайно опір R дорівнює (1-3) 10 Ом для транзистора VT2 середньої потужності та (1-3) 10 Ом для транзистора VT2 великої потужності.
При використанні лазерних випромінювачів в цифрових ОПерП виникає декілька проблем. Перш за все необхідно, щоб лазер випромінював пікову потужність, яка повинна бути постійною увесь період експлуатації та незалежною від змін температури. Відомо, що оптична потужність лазера з підвищенням температури зменшується. Аналогічним підвищенню температури є вплив на потужність випромінювача його старіння. Крім того, в процесі старіння випромінювача на його ВтАХ з΄являються зломи. При використанні лазерних діодів також може виникати нестабільність ширини спектра випромінювання та його модового складу.
Тільки в разі, якщо струм накачування перевищує пороговий, генерується одна поздовжня мода лазерного резонатора (в ідеальному випадку). Якщо лазер діє в імпульсному режимі, та потік інформаційних імпульсів має випадковий характер, то при кожному включенні випромінювача генерується декілька мод (або спектральних складових) і більшість з них повільно згасає за час дії імпульсу накачування. Таким чином, ширина спектра випромінювання лазера може залежати від засобу його зміщення, умов накачування, швидкості передачі інформації (тривалості імпульсу струму накачування). Дія усіх цих факторів особливо велика в системах з великою швидкістю передачі інформації, тому що збільшення ширини спектра випромінювання призводить до збільшення хроматичної дисперсії в оптичному кабелі.
Особливістю лазерного ОПерП є поява викиду та осциляції (дзвін) на вершині імпульсу при цифровій модуляції. Це явище викликане резонансом на частотній характеристиці лазера. Якщо не вжити спеціальних заходів для зменшення дії цього явища, може з΄явитися дроблення імпульсу, що призведе до виникнення помилки при регенерації сигналу під час прийняття.
Ще однією особливістю лазерних ОПерП є затримка між початком імпульсу струму та початком генерації оптичного імпульсу. Час цієї затримки залежить від декількох факторів, їх постійності в часі та діапазоні температур, постійного струму зміщення, порогового струму, пікового струму накачування, часу життя носіїв
(12)де τсп=10-9 с, спонтанний час життя електронів, І-імпульсне значення струму накачування, Іп-пороговий струм, Ізм –постійний струм зміщення. При збудженні без постійного зміщення (рис.11) затримка τз оптичного імпульсу P(t) відносно імпульсу струму накачування і (t) та осциляції на вершині імпульсу досить великі, при цьому досить велика ширина спектра випромінювання. Перевагу треба віддати засобу, при якому на діод подається струм постійного зміщення, який дорівнює, або більше порогового. Відносно цього зміщення прикладаються імпульси струму накачування. Цей засіб має такі переваги: зменшення необхідної амплітуди імпульсу струму накачування, зменшення затримки між імпульсом світла та імпульсом струму накачування, зменшення амплітуди осциляцій на вершині імпульсу, звуження ширини спектра випромінювання електричного та оптичного імпульсів. Епюри електричного та оптичного імпульсів, а також спектр випромінювання для обох випадків включення лазерного діода наведені на рис. 7.
Рисунок 11 - Епюри імпульсів струму накачування й оптичного та спектри випромінювання: а) для світлодіода, б) для лазера
Але ці переваги схем з попереднім зміщенням мають ряд недоліків: підвищення робочої температури p-n переходу випромінювача внаслідок протікання через перехід постійного струму; поява фонового випромінювання в разі передачі символів, що відповідають символу "0".
Якщо фонове випромінювання не є мінімальним, то на приймальній стороні на вході фотодетектора також виникає фонове засвічення, що викликатиме додатковий дробовий шум у приймальному пристрої, та зменшить якість передачі. Тому струм зміщення у ОПерП необхідно стабілізувати застосуванням зворотного зв΄язку. Цей захід дозволить також компенсувати зміну параметрів елементів схеми в діапазоні діючих температур та при їх старінні (температурній та часовій деградації).
На практиці застосовується дві основні схеми: стабілізація середньої в часі оптичної потужності, та стабілізація мінімальної і максимальної потужностей. Структурна схема стабілізації середньої потужності наведена на рис. 12. Вона містить в собі компаратор 1, джерело струму зміщення, що регулюється Ізм-2, генератор-підсилювач струму накачування 3, випромінювач 4, відгалужувач оптичної потужності 5, фотодіод 6, підсилювач постійного струму 7.
Рисунок 12 - Структурна схема температурної стабілізації середнього значення потужності випромінювання
Коло оптичного зворотного зв’язку містить в собі фотодіод, підсилювач 7 та компаратор, який управляє генератором струму зміщення Ізм. Фотодіод детектує відгалужене випромінювання або випромінювання з однієї з граней кристала лазерного діода 4. Напруга фотосингалу Uф,пропорційна потужності випромінювача, усереднюється за часом вибором опору навантаження у колі ФДз великим значенням, підсилюється в підсилювачі 7. В компараторі 1 ця напруга порівнюється з опорною напругою Uоп. Якщо КUф≠ Uоп, де К- коефіцієнт передачі підсилювача постійного струму, то на виході компаратора формується сигнал, який управляє струмом зміщення лазерного діода 4.
На рис. 13 зображені епюри, що пояснюють принцип стабілізації середнього значення оптичної потужності Р, а на рис. 14 епюри, що характеризують роботу реальних цифрових ОперП.