Исследование и разработка методов повышения помехозащищенности высокоскоростных цифровых волоконно-оптических систем передачи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Шиянов, Вадим Анатольевич

• Шиянов, Вадим Анатольевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шиянов, Вадим Анатольевич

Содержание

Введение

1. Исследование помехозащищённости

цифровых фотоприёмных устройств

1.1 Порог чувствительности цифрового фотоприёмного устройства

1.1.1 ФПУ с р-ьп фотодиодом

1.1.2 ФПУсЛФД

1.1.3 Шумовой ток ФПУ

1.1.4 Факторы ухудшающие порог чувствительности

1.2 Реализация входной цепи ФПУ по критерию минимизации шумов

1.2.1 Расчёт оптимального значения согласующей индуктивности

1.2.2 Расчёт отношения сигнал/помеха приведённого ко входу ПУ

1.2.3 Выводы

1.3 Исследование фотоприёмных устройств для

высокоскоростных систем передачи

1.3.1 Введение

1.3.2 р-Й1 фотодиод

1.3.3 Распределённый ПУ

1.3.4 Проектирование согласующего устройства 5

1.3.5 Анализ схемы распределённого ПУ

1.3.6 Анализ шумов распределённого ПУ 5

1.3.7 Расчёт порога чувствительности ФПУ

1.3.8 Выводы

2. Исследование помехозащищённости ВОСП с волоконно-оптическими усилителями

2.1 Введение

2.1.1 Коэффициент усиления ВОУ

2.1.2 Шумы ВОУ

2.2 Включение ВОУ в линейный тракт

2.3 Определение порога чувствительности оптического

приёмного устройства

2.3.1 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ

в качестве предусилителя

2.3.2 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ

в качестве усилителя мощности на передаче

2.3.3 Порог чувствительности ОПУ при использовании ВОУ

в качестве линейного усилителя

3. Исследование помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов. Разработка оптических устройств повышающих помехозащищённость ВОСП

3.1 Введение

3.1.1 Требования предъявляемые к оптическим фильтрам

3.1.2 Виды оптических фильтров

3.2 Распространение ЭМВ в одномодовых волокнах

3.2.1 Моды волоконного световода

3.2.2 Распространение импульса по одномодовому ОВ

3.3 Оптические фильтры на основе проходного резонатора Фабри-Перо 99 3.3.1 Использование фильтров ФП для разделения оптических сигналов

3.3.2 Отношение сигнал/помеха

3.4 Оптические фильтры на основе интерферометра Маха-Цендера

3.4.1 Принцип действия фильтра на основе интерферометра МЦ

3.4.2 Исследование демультиплексора на основе фильтров МЦ

3.4.3 Отношение сигнал/помеха

3.4.4 Выравнивание спектра усиления эрбиевых ВОУ

3.5 Синтез фильтров на основе связанных волноводов

3.5.1 Пространственная связь мод

3.5.2 Оптический фильтр на основе связанных волноводов

3.6 Синтез фильтров на основе Брэгговских дифракционных решёток

3.6.1 Взаимодействие световых волн с ДР

3.6.2 Синтез фильтров на основе ДР с изменяющимся

по длине устройства коэффициентом связи

3.7 Компенсация хроматической дисперсии OB

3.7.1 ДР с линейно изменяющимся периодом

3.7.2 Компенсация дисперсии

4. Моделирование работы фотоприёмного устройства

4.1 Введение

4.2 Математическая модель программы 147 Заключение 149 Литература 152 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов повышения помехозащищенности высокоскоростных цифровых волоконно-оптических систем передачи»

Введение

1. Обзор современного состояния ВОСП

Современные волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) характеризуются большим разнообразием. Они применяются в транспортных сетях и сетях доступа; в последнее время ВОСП нашли применение в локальных сетях - это сети использующие технологию FDDI (Fiber Distributed Data Interface) позволяющие организовать связь со скоростью передачи В = 100 Мбит/с и технологию ATM (Asynchronous Transfer Mode) использующую коммутацию ячеек ATM со скоростью стандартных цифровых потоков систем передачи (СП) синхронной цифровой иерархии (SDH). Наряду с ВОСП SDH используются и плезиохронные СП (PDH). Требования, предъявляемые к системам передачи зависят от того на каком участке сети они применяются, какая используется технология построения сети и могут быть достаточно различными. Пожалуй, самое универсальное и основное из них это повышение эффективности использования оборудования и, как следствие, снижение стоимости канала связи.

Главной тенденцией в волоконно-оптической связи является неуклонное увеличение объёма предаваемой информации. Так, например, на НГТС в 1996 году было создано синхронное кольцо с использованием STM4 (622 Мбит/с) объединяющее ряд АТС города. В 1998 году планируется расширение сети и увеличение скорости передачи до 2.5 Гбит/с. Для увеличения объёма передаваемой информации можно использовать несколько аналогичных СП или использовать СП с большей скоростью передачи. Применение высокоскоростных СП позволяет повысить эффективность использования оборудования и оптического волокна и снизить стоимость канала связи.

В настоящее время наибольшая скорость передачи 10 Гбит/с реализована в СП STM - 64 . Эта скорость передачи по-видимому соответствует пределу быстродействия электронных схем. Основные усилия разработчиков

направлены на исследования и разработку электронно-оптических и полностью оптических устройств позволяющих заменить электронные устройства. В первую очередь это относится к линейным регенераторам и мультиплексорам / демультиплексорам.

Для более полного использования широкополосности ОВ и увеличения объёма передаваемой информации в последнее время получили развитие технологии временного уплотнение каналов (TDM) и спектрального уплотнения (WDM). При временном уплотнении увеличение скорости передачи происходит за счёт уменьшения длительности оптических импульсов, при WDM за счёт использования нескольких оптических несущих разнесённых на разные длины волн. Потенциальные возможности технологии TDM выше чем WDM; в частности, стоимость оборудования в расчёте на телефонный канал при TDM примерно на половину ниже, чем при WDM [1]. Однако более освоенной является технология WDM. Сочетание временного и спектрального уплотнения каналов позволяет уже сейчас получить скорости передачи порядка сотен Гбит/с [2]. Рассмотрим основные устройства высокоскоростных систем передачи с прямым детектированием, требования предъявляемые к ним и основные проблемы, связанные с обработкой и передачей сигналов. Модуляция

При непосредственной модуляции интенсивности, в ППЛ возникает линейная частотная модуляция (JT4M), по знаку совпадающая с JI4M оптического волокна, что приводит к резкому увеличению хроматической дисперсии оптического волокна (ОВ), поэтому чаще используется внешняя модуляция, при которой либо не возникает ЛЧМ, либо она противоположна по знаку ЛЧМ ОВ, что является наиболее благоприятным режимом работы. В качестве источников излучения используются одномодовые ППЛ обладающие узкой спектральной линией, высокой мощностью излучения и стабильной генерацией одной моды на одной длине волны. В СП со спектральным уплотнением флуктуация частоты излучения, перескок мод излучения, приводят

не только к расширению спектральной линии, но и к перекрёстным помехам между каналами, поэтому в СП с WDM к источникам излучения предъявляются более жёсткие требования, чем в СП без спектрального уплотнения. Для внешней модуляции чаще всего используют электрооптические модуляторы (ЭОМ), модуляторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и другие. Среда передачи

Для передачи информации используются одномодовые OB (ООВ). В окне прозрачности 1.55 мкм ОВ имеет минимальные потери ( 0.15 - 0.25 дБ/км ) и удельную хроматическую дисперсию 17-18 пс/нм*км. На длине волны 1.3 мкм потери составляют 0.3 - 0.5 дБ/км, а дисперсия 1-3 пс/нм*км. При скорости передачи меньше 10 Гбит/с главным фактором ограничивающим произведение скорости передачи на длину участка связи (BL) является затухание ОВ, поэтому предпочтение отдаётся длине волны 1.55 мкм. Однако чем больше скорость передачи, тем жёстче становятся требования на допустимую дисперсию. К тому же при высоких скоростях передачи ширина спектра информационного сигнала может определяться не столько шириной спектральной линии ППЛ, сколько шириной спектра модулирующего сигнала, например, скорости передачи 10 Гбит/с соответствует ширина спектра АЯ2 = 0.08 нм. Суммарная ширина

спектральной линии равна : АX = ^АЛ}2 +АА22 , где ДДг - ширина спектра ППЛ. Если ширина спектра ППЛ в 2 - 3 раза меньше ширины спектра сигнала, то суммарный спектр будет полностью определяться полосой информационного сигнала. Это значит что и сама дисперсия будет расти с увеличением В. При В равной 10 Гбит/с, максимальная длина участка связи определяется не затуханием ОВ, а его дисперсией.

Компенсация дисперсии ООВ в окне прозрачности 1.55 мкм

В последнее время предложен ряд устройств компенсирующих дисперсию ОВ. Среди них наиболее перспективными являются следующие устройства : - оптические волокна с положительной дисперсией [3], которые чередуются с обычным ОВ, имеющим отрицательную дисперсию; их основной недостаток

7

большая величина вносимого затухания ( включение таких ОВ повышает общее затухание участка связи на 30 - 50 % [1] ),

- оптические волокна со смещённой и выравненной дисперсией [4] имеющие область нулевой дисперсии на длине 1.55 мкм ( < 2.5 пс/нм*км ) и имеющие одинаковую низкую дисперсию (3-5 пс/нм*км ) в диапазоне длин волн 1.36 и 1.65 мкм; в таких волокнах используются треугольный и W - образный профили показателей преломления, основной недостаток высокая стоимость и большие вносимые потери для волокна с плоской дисперсией ( 0.42 дБ на длине волны 1.53 мкм ).

- компенсаторы дисперсии на основе брэгговских дифракционных решёток ДР с линейно изменяющимся периодом ( chirped grating ) [5], [6], [7]. Основным недостатком устройства является по видимому трудность в компенсации дисперсии сразу нескольких сигналов на разных длинах волн, впрочем эта трудность возникает для всех вышеперечисленных устройств, кроме пожалуй ОВ с выравненной дисперсией.

Эрбиевые волоконно-оптические усилители

В конце 80 - годов для компенсации потерь в оптическом волокне на длине волны 1.55 мкм были разработаны эрбиевые волоконно-оптические усилители ( erbium fiber doped amplifier ), которые успешно конкурируют и вытесняют регенераторы с оптоэлектронным и последующим электронно-оптическим преобразованием. Применение ВОУ для усиления многоканального сигнала резко увеличило экономическую эффективность ВОСП с WDM. Использование ВОУ в локальных сетях позволило компенсировать потери при многократном разветвлении сигнала и увеличить число этих разветвлений. Нашли применение три схемы включения ВОУ: усилитель мощности на передачи, предусилитель, линейный усилитель. Недостатком первой схемы является низкий допустимый коэффициент усиления G [8], ( произведение GPnep обычно ограничено величиной 5 - 15 мВт из-за возникающей при большей мощности нелинейности ОВ), в случае второй схемы, величина G ограничена только

мощностью насыщения, но шумы за счёт усиленной спонтанной эмиссии ухудшают отношение сигнал/помеха на входе электронного усилителя фотоприёмного устройства (ФПУ). Схема с линейным усилителем наиболее эффективна с точки зрения сигнал/помеха, величина коэффициента усиления может выбираться достаточно большой (20 -40 дб), а шумы за счёт усиленной спонтанной эмиссии поступают на вход ФПУ ослабленные линией.

Выравнивание спектра усиления ВОУ

Спектральная характеристика усиления ВОУ неравномерна, разность усиления на длинах волн 1.53 и 1.56 мкм составляет -10-12 дБ, а на длинах волн 1.54 и 1.56 мкм ~ 3 - 5 дБ поэтому в системах WDM использующих несколько ВОУ необходимо применять устройства для выравнивания усиления сигналов на разных длинах волн. Методы коррекции спектра усиления можно разбить на две группы: применение различных оптических фильтров ослабляющих сигнал вблизи длины волны 1.532 мкм и управление усилением в самом эрбиевом усилителе. Из оптических фильтров наиболее перспективными являются фильтры на основе брэгговских дифракционных решёток ДР [9] и фильтры на основе длиннопериодных решёток [10]. ДР показателя преломления создаются "записываются" в сердцевине сильно легированного германием "фоточувствительного" ОВ ультрафиолетовым лазером и отражают сигнал на длине волны подчиняющейся условию Брэгга : Л =2п Л , где п -эффективный показатель преломления распространяющейся моды и Л - период решётки, в спектре пропускания это соответствует провалу. Длиннопериодные решётки используют резонансное взаимодействие основной моды сердцевины и одной из мод оболочки, которое возникает при условии: Д. - Д , - 2ж/Л , где Д и Д, постоянные распространения мод сердцевины и оболочки. При выполнении данного условия часть излучения основной моды преобразуется в излучение моды оболочки и высвечивается из волокна. Длиннопериодные решётки имеют гораздо больший период чем брэгговские ДР, т.е. более технологичны и просты в изготовлении и не создают отражённого сигнала.

Вторая группа устройств использует зависимость усиления от уровня входного сигнала и накачки или используется гибридный ВОУ с различным составом сердцевины ОВ.

Оптические усилители для длины волны 1.3 мкм

Перспективным является диапазон 1.3 мкм, совпадающий с областью нулевой хроматической дисперсии 2 порядка -1-3 пс/нм*км. Перспективы в использовании длины волны 1.3 мкм зависят от создания оптического усилителя на эту длину волны не уступающего эрбиевому ВОУ. Разработанный усилитель на стекле с празеодимом обладает рядом недостатков: для его накачки требуется твердотельный лазер ( мощность накачки должна достигать 500 - 1000 мВт для коэффициента усиления 30 дБ) , волокно с празеодимом более хрупкое и менее химически устойчиво чем ОВ легированное эрбием, другой проблемой является сложность стыковки кварцевого ОВ и стекла с празеодимом из-за разности диаметров сердцевины и числовых апертур [11]. В [12] предложен распределённый усилитель на основе эффекта Рамановского рассеяния работающий на длине волны 1.3 мкм; при мощности накачки 350 мВт коэффициент усиления составил 30 дБ. Оптические демультиплексоры

Наибольший интерес при исследовании WDM вызывают полностью оптические демультиплексоры (ДМ). Основная тенденция в их исследовании и разработке - использование волоконно-оптических и интегральных схем, исключение объёмных компонентов и воздуха как среды распространения. В зависимости от построения сети связи, могут быть различны и требования к демультиплексорам. При схеме организации связи точка - точка ДМ должны разделять каналы, при более сложной схеме может потребоваться одновременное выделение и ввод каналов в оптическом виде, такой ДМ должен быть аналогичен электронному мультиплексору ввода / вывода. Наибольшее внимание при исследовании ДМ уделяется уменьшению уровня межканальных помех, ухудшающих качество связи. Основными элементами ДМ являются

направленные ответвнтели (НО) и оптические фильтры. Оптические фильтры могут изготавливаться на основе "классических" структур - резонатора Фабри-Перо и интерферометра Маха-Цендера. Новым классом оптических фильтров являются структуры на основе связанных волноводов с зависимостью коэффициента связи по длине устройства и фильтры на основе Брэгговских ДР. Очень перспективным является устройство на основе связанных волноводов с брэгговской ДР, сформированной в одном из волноводов над областью связи [13]. Устройство осуществляет функции мультиплексора ввода / вывода. Главным достоинством конструкции является то, что она не является интерференционной и не требует точного равенства плеч.

Актуальность темы диссертации

Применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) позволило в последние годы резко увеличить объём передаваемой информации. В настоящее время наибольшая скорость передачи 10 Гбит/с реализована в СП БТМ - 64. Дальнейшее увеличение скорости передачи информации ограничено быстродействием электронных схем обработки сигналов.

Основной тенденцией в области оптической связи является исследование и разработка электронно-оптических и полностью оптических устройств, позволяющих заменить электронные устройства обработки информации. В первую очередь это относится к линейным регенераторам и мультиплексорам ввода/вывода.

Одним из основных параметров характеризующих эффективность системы передачи является её помехозащищённость. Помехозащищённость СП оценивают с помощью порога чувствительности фотоприёмного устройства (ФПУ). Порог чувствительности (ФПУ) - минимальная средняя мощность на приёме, при которой в заданной полосе частот сохраняется заданное отношение сигнал/помеха. Уменьшение порога чувствительности позволяет увеличить

длину участка связи или увеличить скорость передачи информации и в конечном итоге повысить эффективность использования оборудования СП.

Применение высокоскоростных ВОСП требует создания принципиально новых устройств обработки информации. Многие проблемы еще не решены или их решение не оптимально. Основные из них изложены ниже.

1. При скоростях передачи 10 Гбит/с и выше электронную схему ФПУ необходимо рассматривать как цепь с распределёнными параметрами. Поэтому необходим новый подход к проектированию ФПУ, расчёту шумов ФПУ и минимизации порога чувствительности.

2. Применение волоконно-оптических усилителей (ВОУ) позволило компенсировать потери в оптическом волокне (ОВ) и увеличить дальность связи. Однако при использовании ВОУ возникает шум, связанный с усиленной спонтанной эмиссией (УСЭ), который влияет на помехозащищённость СП. Необходимо оценивать величину шума УСЭ и находить условия, при которых этот шум минимален.

ВОУ характеризуются неравномерной спектральной характеристикой усиления. Если в СП со спектральным уплотнением каналов используется несколько оптических усилителей, необходимо устройство, выравнивающее характеристику усиления.

3. При скоростях передачи 10 Гбит/с и выше главным фактором ограничивающим произведение скорости передачи на длину участка связи (BL) является не затухание ОВ, а его дисперсия. Дисперсия приводит к межсимвольным помехам. Для увеличения длины участка связи или скорости передачи необходимы устройства компенсирующие дисперсию ОВ.

4. В СП со спектральным уплотнением для объединения или выделения каналов используются оптические мультиплексоры / демультиплексоры, основными элементами которых являются оптические фильтры. Одной из основных проблем является реализация таких фильтров, которые позволили бы минимизировать перекрёстные искажения между каналами.

Диссертационная работа посвящена исследованию вышеперечисленных проблем и поиску их эффективных решений.

Цель работы

Основная цель диссертации - исследование и разработка методов повышения помехозащищённости ВОСП, определение порога чувствительности оптического приёмного устройства, исследование факторов ухудшающих порог чувствительности ФПУ и повышение помехозащищённости ВОСП методами оптимизации и синтеза отдельных устройств по критерию максимального отношения сигнал/помеха.

Научная новизна

1. По критерию максимального отношения сигнал/помеха для заданной частотной характеристики синтезирована входная цепь ФПУ. Для улучшения согласования между фотодиодом (ФД) и предварительным усилителем (ПУ) предложено включить согласующий четырёхполюсник. В результате отношение сигнал/помеха, приведённое ко входу усилителя, возросло на 3-5 дБн по сравнению со схемой без согласующего четырёхполюсника.

2. Предложена методика расчёта порога чувствительности для ВОСП с волоконно-оптическими усилителями (ВОУ), для трёх схем включения ВОУ. Показано, что при включении ВОУ в качестве предусилителя необходимо использовать узкополосный оптический фильтр, рассмотрены требования к спектральной характеристики фильтра, исследованы факторы ухудшающие помехозащищённость и предложены методы минимизации порога чувствительности.

3. Предложен новый подход к синтезу оптических фильтров на основе связанных волноводов. Для уменьшения уровня боковых лепестков, было предложено ввести зависимость коэффициента связи к от продольной координаты. В результате синтеза оптических фильтров на основе связанных волноводов по заданной зависимости коэффициента связи к(г) уровни

боковых лепестков удалось снизить на 10 дБм ( от -10 до -20 дБм), что делает пригодным использование таких фильтров в СП со спектральным уплотнением каналов. Также была найдена функция физического разделения волноводов D(z), позволяющая реализовать заданную k(z). Аналогичные результаты были получены для оптических фильтров на основе Брэгговской дифракционной решётки (ДР), сформированной в сердцевине ОВ.

4. На основе перестраиваемого фильтра МЦ была предложена принципиальная схема оптического корректора (ОК), сглаживающего спектр усиления ВОУ. Особенность схемы позволяет изменять характеристику пропускания корректора при изменении прикладываемого напряжения. Неравномерность усиления ВОУ после включения ОК не превышала 1-2 дБ в полосе 1.53-1.56 M км.

5. Для компенсации дисперсии ООВ на длине волны 1.55 мкм, предложено использовать устройство компенсации дисперсии на основе Брэгговской дифракционной решётки с линейно изменяющимся периодом, сформированной в сердцевине ОВ. Рассчитаны параметры устройства: полоса пропускания, величина создаваемой дисперсии, функция изменения периода ДР по длине устройства, разработаны схемы включения устройства.

Практическая ценность работы

1. На основе компьютерного моделирования разработана математическая модель фотоприёмного устройства. Программа позволяет имитировать прохождение сигнала через линейный оптический тракт и устройства ФПУ. На основе Фурье анализа получены спектральная и импульсная характеристика сигнала на выходе ФПУ. Производится расчёт оптимального коэффициента лавинного умножения (М) (для ЛФД), допустимого, с точки зрения увеличения шума, сопротивления обратной связи ( Roc ), порога чувствительности ФПУ при разных начальных условиях: скорость передачи, хроматическая дисперсия ОВ, тип фотодиода, транзистора входного каскада, тип фильтра.

2. На основе синтеза по критерию максимального отношения сигнал/помеха получены принципиальные схемы устройств согласующих фотодиод и предварительный усилитель.

3. На основе результатов диссертационной работы созданы 2 компьютерные лабораторные работы используемые в учебном процессе и программы по расчёту порога чувствительности ФПУ на языке Турбо Паскаль, применяемые в курсовом проектировании.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При минимизации порога чувствительности ФПУ эффективен подход сочетающий в себе одновременно синтез входной цепи по критерию максимального отношения сигнал/помеха и по заданной частотной характеристике. Это позволяет сформировать полосу пропускания уже во входной цепи при максимальном значении отношения сигнал/помеха.

2. При определении порога чувствительности ВОСП с ВОУ существует пороговое значение коэффициента усиления, после которого порог чувствительности не уменьшается, дальнейшее уменьшение порога чувствительности в схеме с оптическим предусилителем возможно при использовании оптического фильтра. Пороговый коэффициент усиления и требования к полосе пропускания найдены в диссертационной работе.

3. Для уменьшения уровня перекрёстных помех в оптических демультиплексорах использующих оптические фильтры на основе связанных волноводов и дифракционных решёток показателя преломления целесообразно вводить зависимость коэффициента связи по длине устройства.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографии и приложений.

В первой главе диссертации исследуются источники шумов в ФПУ, найдено аналитическое выражение для порога чувствительности ФПУ с р-1-п

ФД и ЛФД, найден оптимальный коэффициент лавинного умножения, вычислены интегралы Персоника для случая фильтра типа "приподнятый косинус" и ФНЧ с аппроксимацией по Баттерворту, рассмотрены условия при которых порог чувствительности минимален. В разделе 1.2, в результате синтеза по критерию максимального отношения сигнал/помеха, реализовано звено улучшающее согласование между ФД и ПУ. При включении согласующей индуктивности отношение сигнал/помеха приведённое ко входу усилителя улучшалось на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора входного каскада усиления. В разделе 1.3 исследовалось ФПУ для СП STM - 64. В результате синтеза было реализовано звено, позволяющее в широкой полосе частот согласовать сопротивление ФД с входным сопротивлением ПУ. Для исследуемой схемы был найден порог чувствительности приёмного устройства и рассмотрены факторы его ухудшающие.

Во второй главе исследовалась помехозащищённость ВОСП, содержащих ВОУ. Рассматривалось влияние схемы включение ВОУ в линейный тракт на порог чувствительности ФПУ. В разделе 2.1 были рассмотрены шумы ВОУ связанные с усиленной спонтанной эмиссией, в разделе 2.2 - 2.3 были исследованы схемы включения ВОУ в линейный тракт и найден порог чувствительности, требования к полосе пропускания оптического фильтра, включение которого позволяет увеличить помехозащищённость, влияние числа каскадов ВОУ на порог чувствительности.

Третья глава посвящена исследованию помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов и разработке оптических устройств, позволяющих повысить помехозащищённость. В разделах 3.3 - 3.4 исследовались перекрёстные помехи возникающие в демультиплексорах на основе фильтров Фабри-Перо и Маха-Цендера при разделении световых потоков. Для обеих схем было найдено отношение сигнал/помеха (S/N) на выходе фильтра и проигрыш в пороге чувствительности (Р) из-за межканальных помех. Для фильтра ФП была исследована зависимость отношения S/N и Р от

разноса между оптическими несущими соседних каналов, для фильтра МЦ зависимость отношения S/N и Р от ширины спектра сигнала.

На основе перестраиваемого фильтра МЦ была предложена принципиальная схема оптического корректора (OK), сглаживающего спектр усиления ВОУ.

В разделах 3.5, 3.6 исследовались возможности синтеза фильтров на основе связанных волноводов и брэгговских дифракционных решёток показателя преломления с переменным по длине устройства коэффициентом связи мод.

В разделе 3.7 исследовалась возможность коррекции формы оптических импульсов. Для компенсации хроматической дисперсии были исследованы ДР показателя преломления с линейно изменяющимся периодом (ЛИП).

В четвёртой главе разработана программа в среде Mathcad 6.0 Plus моделирующая прохождение сигнала по оптическому волокну и работу ФПУ. По заданным скорости передачи, форме импульса на выходе источника излучения, параметрам транзисторов и функции передачи ФПУ рассчитывается порог чувствительности, оптимальные значения сопротивления обратной связи и коэффициента лавинного умножения ЛФД, с помощью Фурье анализа рассчитываются спектральные и импульсные характеристики устройств, находится форма импульса на выходе ФПУ.

Расчёты в диссертационной работе производились на ЭВМ с помощью языка программирования Turbo Paskai и математических пакетов прикладных программ Mathcad 6.0 Plus и Mathcad 5.0 Plus. Вычисление определённых интегралов производилось в среде Mathcad, использующей численный алгоритм интегрирования Ромберга [14].

1. Исследование помехозащищённости цифровых фотоприёмных устройств.

Шумы фотоприёмного устройства (ФПУ) вносят основной вклад в общий шум волоконна-оптической системе передачи информации (ВОСП) и в основном определяют порог чувствительности системы передачи. Шумовые свойства полупроводниковых электронных приборов исследовались в работах [15-19]. Вопросам проектирования малошумящих предварительных усилителей (ПУ) и исследованию порога чувствительности приёмных устройств посвящены работы [20-22]. Классической является работа [23], в которой авторы Smith R.G., Personick S.D. всесторонне исследовали шумы возникающие в фотоприёмном устройстве с p-i-n фотодиодом и лавинным фотодиодом (ЛФД), биполярным и полевым транзистором, рассмотрели шумы связанные с уширением импульсов вследствие дисперсии оптического волокна, предложили универсальный математический аппарат для учёта влияния формы входной посылки, функции передачи ФПУ и фильтра на порог чувствительности приёмного устройства.

В работах [24 , 25] исследовалось совместное влияние дробового шума имеющего Пуассоново распределение и остальных шумов с Гауссовым распределением на порог чувствительности и характеристики ФПУ.

Исследованию шумов в интегральных фотоприёмных устройствах посвящены работы [26-28], а в работах [29-32] исследовались ФПУ с распределённым ПУ для высокоскоростных (В > 1 Гбит/с ) систем предачи. Однако, шумовые характеристики фотоприёмных устройств для высокоскоростных систем передачи изучены недостаточно и слабо разработаны методы уменьшения шумов.

В нашей стране исследованиями в области проектирования малошумящих ФПУ занимались Шевцов Э.А. [33, 34] и Крупина B.JI [35-37].

1.1 Порог чувствительности цифрового фотоприёмного устройства

При анализе порога чувствительности фотоприёмного устройства (ФПУ), используется подход Smith R.G., Personick S.D., [23], [21] при котором распределение шума считается гауссовым. Вероятность ошибки при передаче информации определяется вероятностью принятия ложного сигнала о наличии "1" во время передачи "0м ( или наоборот):

Рош= l-F(Q),

где:

Q

F(Q) = 1/42Я i ехр(-х2/2)£&, (1.1)

—со

Q = (D-So)/ct0= -(D-SJ/ct, , (1.2)

где, s0 и s, - ожидаемые величины сигналов при передаче "0" и "1" соответственно, а0 и - среднеквадратические отклонения, D - пороговый уровень (рис. 1.1).

- 2о\ )

( 2а0

Вероятность

Рис. 1.1 Функция плотности распределения вероятностей для двухуровневого цифрового сигнала.

Заштрихованная площадь перекрывающихся "хвостов" распределения вероятностей соответствует области принятия ложного сигнала.

Величина рош зависит от требований, которым должна удовлетворять конкретная система передачи, и обычно лежит в пределах 10~7 - 10 "12 . Для

_9

расчётов будем использовать значение рош = Ю ((2 = 6).

1.1.1 ФПУ с р-1-п фотодиодом

Дисперсия су 2 и сигнал б определяются соответствующими значениями

токов на входе ФПУ. При малом уровне освещённости ст0 = ст, = а = д/^Тп

где у/ 1р,.„ - среднеквадратичное значение шумового тока приёмного модуля с

р-ьп фотодиодом. Ток сигнала б можно выразить через величину детектируемой оптической мощности при передаче "1" - ( Р^ или "0" ( Р0) : = ( еХ / Ьс ) Р] , б0 = ( еХ / Ис ) Р0 . Тогда уравнение (1.2) примет вид:

Б - 81=Б- (еХ/Ис)?^^ з (1.3а)

Б - 80 = Э - (еХ / Нс)Р0 = . (1.36)

Здесь е - заряд электрона, X - длина волны импульсов излучения, к - постоянная Планка, с - скорость света.

?1-PQ = 2Q(hc/eX)^pl~ , (1.4)

Б = 0.5 ( еА, / /гс) ( Р] + Р0) . (1.5)

Из уравнения (1.5) следует, что оптимальный пороговый уровень находится посередине между значениями, соответствующими токам "1" и "0". Мощность полученная приёмным модулем, соотносится со средней мощностью Р , падающей на ФД, следующим образом:

r|P = Plp;+P0(l-Pj) (1.6)

где, г) - внутренняя квантовая эффективность; р1 - вероятность принятия "1" в заданном интервале времени. Для большинства импульсных кодов р1 - 1 / 2 , поэтому можно записать:

т]Р = 1/2 * ( Pj+ Р0 ) . (1.7)

Важное значение играет коэффициент затухания у , определяемый как отношение мощности, принятой при передаче "О", к мощности, принятой при передаче " 1" :

У = Р0/Р, . (1.8)

Используя уравнения (1.4),(1.7),(1.8), получим выражение:

1 + у

TlPp.,n= -Q(hcíeX) , (1.9)

1- у

которое определяет минимальный уровень детектируемой оптической мощности цифрового ФПУ с p-i-n ФД. Если во время передачи "О" мощность затухает полностью, у = 0 , и уравнение (1.9) принимает вид :

Л?p-i-n = Q(hc/eX) д/ij" , (1.10)

или учитывая что чувствительность ФД S = ( r\eX ¡he) [ А / Вт ] :

Р„= (Q / S) д/С^ • (1-Юа)

1.1.2 ФПУсЛФД

При выводе уравнений (1.9) и (1.10) предполагалось, что шумовые токи в состояниях "1" и "0" равны, т.е. дробовый шум сигнального фототока не учитывался. Это предположение несправедливо для модуля с ЛФД из-за избыточного шума ЛФД, обусловленного случайной природой процесса умножения. При среднем коэффициенте умножения М, среднеквадратичные мощности шумовых токов при приёме 1 и 0 равны соответственно:

Ч2 = Vi-n + 2е ( еХ 1 hc ) F Ь1! BPi , (1.11)

i()2 = i2p-i-n + ( &1 hc ) М2 F 1щ ВР0 (1.11 а)

Здесь, В - скорость передачи, F - шум-фактор лавинного умножения, Irij -интеграл Персоника. Второе слагаемое в правой части (1.11) представляет собой дробовый шум, обусловленный умножением сигнального фототока.

Комбинируя уравнения (1.2) и (1.11) получим выражение для определения порога чувствительности ФПУ с ЛФД :

- 1+ I2 . W2

Ч Р,ф,= Q ihc/ex) {eQ F !n,B + [(2е Q F I^B)2^ + }

(1.12)

При выводе (1.12) предполагалось, что сигнальный фототок увеличивается в среднем в М раз, темновой ток ЛФД равен нулю и что межсимвольная интерференция отсутствует: "хвосты" сигнального тока предыдущего бита не перекрываются с сигналом передаваемого в данный момент бита. При идеальном коэффициенте затухания (у=0) формула (1.12) упрощается:

Тлфд= (Q/S)[(V^*/M) + eQFInlB] (1.13)

Шум-фактор лавинного умножения определяется из выражения :

Б = М{ 1-(1-к)[(М-1)/М]2},

(1.14)

где к - отношение коэффициентов ударной ионизации носителей зарядов, причём к < 1. Так как шум фактор увеличивается с увеличением М , из (1.13)

ч

следует, что порог чувствительности приёмного модуля уменьшается обратно пропорционально М только при достаточно малых значениях этого коэффициента. Увеличение М приводит к возрастанию шум-фактора и соответственно второго члена в выражении для Рлфд . Когда М = Мопт , величина Р лфд минимальна и порог чувствительности достигает своего минимального значения для данного отношения к и уровня шума усилителя.

1.1.3. Шумовой ток ФПУ

В этом разделе будут рассмотрены наиболее важные источники шума в приёмных модулях с лавинными и р-ьп фотодиодами. Для удобства анализа проводится нормирование порога чувствительности ФПУ с ЛФД по порогу чувствительности ФПУ с р-ьп фотодиодом. Полученные результаты позволяют определить диапазон значений порога чувствительности, реализуемых на практике в современных ФПУ с малошумящими ФД , чувствительными к длиноволновой области спектра.

Шумовой ток ФПУ с р-1-п фотодиодом

В данном разделе исследуем источники шумов в предварительном усилителе (ПУ). В качестве входного каскада может быть использован усилитель на полевом ( ПТ ), биполярном транзисторе ( БТ ), или усилитель на транзисторе с высокой подвижностью электронов ( ВПЭ ). Иногда во входном каскаде используют несколько транзисторов включённых параллельно. Это позволяет уменьшить распределённое сопротивление базы - в случае БТ, а в случае ПТ - увеличить крутизну характеристики. Для ПТ используются две схемы включения ПУ: с высокоомным входом (интегрирующий усилитель) и

схема с обратной связью ( трансимпедансный усилитель ). Найдём шумы в ФПУ с интегрирующим усилителем (рис 1.26 ) :

Еп

;|саддр !СФ

я«

_1?У

■е

шу

Предусипитепь Корректор Усипитепь Фипьтр

а)

К(со)

иВыХ(г)

Фотодиод + цепь смеш. I Предусипитепь

б)

Рис. 1.2 а - блок-схема приёмного модуля ; б - эквивалентная схема входной цепи усилителя.

На рис. 1.2 а показана блок - схема приёмного модуля. Усилитель состоит из собственно предусилителя и каскада частотной коррекции ( корректор ). Коррекция необходима для восстановления формы входного импульса, которая искажается передающим оптическим модулем, оптическим волокном, фотодиодом и предусилителем. После корректора располагается оконечный усилитель и фильтр, который ограничивает общую полосу пропускания, а следовательно и шум приёмного модуля. Условное обозначение передаточной характеристики каждого элемента цепи показано внутри функциональных блоков на рис. 1.2а.

Рассмотрим источники шума в предусилителе. На рис. 1.26 показана

упрощенная эквивалентная схема входной цепи ФПУ: Яп - сопротивление нагрузки фотодиода; определяется разностью напряжения питания и рабочего напряжения ФД поделённой на фототок : Ян = ( ишт - Ираб ) / ¡ф . Общее входное сопротивление Яэ определяется параллельным сопротивлением и 11^. Тепловой шум обусловленный К ( будет равен:

\ = ( 4кТ / Яз) В , (1.15)

-23

где к - постоянная Больцмана ( 1.38 * 10 Дж/К ) , Т - температура в градусах Кельвина, В - скорость передачи, 1п2 - интеграл Персоника [21] , зависящий от передаточной характеристики цепи. Дробовый шум за счёт темнового тока фотодиода:

= 2е 1Т 1п2 В , (1.16)

где 1т - темповой ток р-ьп фотодиода.

Шумы полевых транзисторов

Дробовый шум тока утечки затвора:

12шу - 2е 1ут 1п2 В , (1.17)

где 1ут - ток утечки затвора ПТ.

На выходе ПТ за счёт проводимости канала существует ещё одна составляющая теплового шума. Приводя её ко входу, получим э.д.с. шума в единичной полосе:

е2=4кТу/ё . (1.18)

Здесь \\) - шум фактор ПТ зависящий от материала (для - ц/ =

0.7, для ваАз -

Ч' = 1 в - крутизна ПТ в рабочей точке. Э.д.с. шума на входе удобно заменить эквивалентным генератором входного шумового тока. Для этого нужно найти выражение для полной входной проводимости и умножить его на е2шу. Увх = 1 / К, + , Сэ - общая входная ёмкость, равная:

с=с, + с+ с с =с +с

э ф у ^м у 3-й ^3-С 5

где Сф - ёмкость фотодиода , Су - общая ёмкость ПТ, состоящая из ёмкостей затвор-исток Сз и и затвор-сток С3.с . Выражение для генератора входного шумового тока :

2 4к1> г 1п9В 2 3 1

*пт = — [-7Г + (2жС3) ] + 2е1у1\п2'В (1.19)

ё э

Здесь 1п3 - интеграл Персоника, зависящий от частотной характеристики линейного тракта ФПУ.

Низкочастотный или фликкер-шум :

= (4кТм/ / е) (2лСэ )2 ^ЧтВ2 , (1.20)

где Г1Ц - граничная частота фликкер-шума ( для О а Аз ПТ обычно составляет 20 - 30 МГц ), = 0.1 - 0.2 . Полный шумовой ток схемы равен сумме

составляющих шумовых токов:

{2 . ={2 + 12 + {2 + [2 + [2 ( 121 ) р-1-П ПТ I др Т ПОСЛ 3 V /

2

где { - шумовой ток, обусловленный последующим усилителем и

другими элементами схемы, следующими за предусилителем.

Влияние последующего усилителя можно учесть следующим образом : э.д.с. шума второго каскада усиления делят на коэффициент усиления

предусилителя по напряжению gRc, затем находят шумовой ток и прибавляют его к шумовому току предусилителя, 11с - сопротивление в цепи стока полевого транзистора предусилителя. Даже при небольшом коэффициенте усиления предусилителя (>3) шумы второго каскада незначительны, и их можно не учитывать. Порог чувствительности ФПУ Р рьа можно определить при известном общем шуме с помощью уравнения ( 1,10а ).

Другим наиболее распространённым типом усилителя является трансимпедансный усилитель (ТИУ), несколько менее чувствительный, но обладающий большим динамическим диапазоном. Шумовой ток ТИУ можно рассчитать с помощью вышеизложенного метода, при замене на

сопротивление 11осв выражениях (1.15) и (1.19). Частотная характеристика ТИУ ограничена постоянной времени КосСэ , в то время как постоянная времени ЛЭС3 ограничивает полосу высокоомного усилителя. Очевидно, что ТИУ обладает более широкой полосой пропускания.

При соблюдении условия Яос > ^/1п2 / ^/1п3 2тгСэВ шумы в схеме с ТИУ будут сравнимы с шумами высокоимпедансного усилителя.

Шумы биполярных транзисторов

где 1б и ^ - соответственно базовый и коллекторный ток, гб - распределённое сопротивление базы, а гэ - сопротивление эмиттера для малого сигнала.

Токовый шум представляет собой дробовый шум тока базы, а источник шумового напряжения соответствует тепловому шуму сопротивления базы и последовательно соединённого с ним сопротивлению перехода база-эмиттер.

1щу = 2е 1к/р ,

е2шу = 4кТ ( гб + г, / 2 ) ,

Гэ=кТ/е1э ,

•2

(1.22) (1.23)

Эквивалентный шумовой ток БТ будет равен:

i26T = 4кТ (гб + гэ / 2 ) [ IÜ2 В / R23 + ( 2тгСэ j In3 В3 ] + 2е 1б Ii^ В

(1.24)

Полный шумовой ток схемы равен сумме составляющих шумовых токов:

.2 .2 , -2 , .2 , .2

1 = 1 й + 1 +1 +1 p-i-n бт др т поел

(1.25)

Частота фликкер-шума у БТ составляет от сотен герц до 1 - 10 кГц, поэтому при расчётах его не учитывают.

Пример расчёта порога чувствительности

Для схемы приёмного модуля рис. 1.3 рассчитаем порог чувствительности.

21p-¿-n ФД

+ Un

YT1

R-r

RH ! сэ

R,

Рис. 1.3 Принципиальная схема PIN - GaAs-MESFET приёмного модуля. VT1 -GaAs полевой транзистор с барьером Шотки, Roc - сопротивление параллельной ООС, Сд Яд - дифференцирующее звено, компенсирующее интегрирование сигнала входной цепью

Начальные условия:

Скорость передачи В = 170 МБит/с , Т = 293 К. При расчётах будем считать что на вход подаются импульсы гауссовой формы (а = 0.3), а на выходе ФПУ включён фильтр, формирующий импульсы "приподнятый косинус" в формате NRZ

1 каскад 2 каскад

ОаАз - ПТ р-ьп - Оа1пА8 ФД КТ - 391

4 В /15 м А X = 1.55 мкм 5 В / 10 м А

С3-и = 0.3 пФ 8 = 0.8 А /Вт гб = 15 Ом

Сз-с = 0.1 пФ Сф = 0.5 пФ гэ = 175 Ом

См = 0.1 пФ 1т = 4 нА Сэ = 6.8 пФ

g = 45 мС = 1 МОм Ск.э= 1 пФ

\|/= 1.1 Як = 680 Ом

1уг=1нА Яос = 750 Ом

Яс = 910 Сос = 0.1пФ

Яси = 250 Ом Сд=18пФ

Ыд = 51 Ом

Р=70

Значения интегралов Персоника: 1п2 = 0.56 , 1п3 = 0.087

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Шиянов, Вадим Анатольевич

Выводы

В этом разделе исследовалась возможность компенсации хроматической дисперсии ОВ второго порядка в окне прозрачности 1.55 мкм, с помощью брэгговских ДР с ЛИП. Были рассчитаны параметры устройства, предложена схема включения ДР с ЛИП в линейный тракт ВОСП. Устройство длиной 1.8 см компенсировало дисперсию стандартного одномодового ОВ длиной 100 км, при ширине спектральной линии оптического импульса 0.1 нм ( 12.5 ГГц).

4. Моделирование работы фотоприёмного устройства 4.1 Введение

Программа "Моделирование ФПУ" позволяет найти форму импульсов на входе и выходе ФПУ, рассчитать и построить функцию передачи ФПУ, частотные и импульсные характеристики электрических фильтров. В программе исследуются две схемы включения предварительного усилителя (ПУ): схема с интегрирующим усилителем (IA) и схема с трансимпедансным усилителем (TIA), два типа транзисторов : полевой (FET) и биполярный (ВТ), два вида фильтров: "приподнятый косинус" и ФНЧ Баттерворта п - го порядка.

Порог чувствительности рассчитывается для случая использования p-i-n ФД и лавинного фотодиода (ЛФД). В программе вычисляются интегралы Персоника, которые позволяют оценить влияние входной посылки и функции передачи ФПУ на порог чувствительности, рассчитываются спектральные плотности шумов и строится график их зависимости от частоты. Исследуется зависимость величины эквивалентного шумового тока от входного сопротивления ПТ, это позволяет определить требования к минимально допустимой величине сопротивления обратной связи Roc . Также в программе исследуется зависимость эквивалентного шумового тока от величины коэффициента лавинного умножения М.

При вычислении интегралов Персоника, в отличие от оригинальной работы [23], учитывалась частотная характеристика корректора, функция передачи входной цепи ФПУ, частотная зависимость коэффициентов усиления транзисторов. В работе [23] использовался несколько идеализированный подход: предполагалось, что корректор полностью компенсирует неравномерность частотной характеристики ФПУ в полосе пропускания.

При вычислении интегралов Персоника, импульсной характеристики фильтров, формы импульсов на выходе ФПУ использовался универсальный подход, который позволяет рассчитывать все вышеперечисленные характеристики для других форм входного сигнала, функции передачи ФПУ, при использовании других видов фильтров - достаточно только ввести новые аналитические выражения, которые описывают спектр сигнала и частотные характеристики устройств.

Фактически данная программа является испытательным стендом при проектировании ФПУ ВОСП для скоростей передачи ниже 1 Гбит/с. Основные уравнения и выражения используемые в программе предложены и обоснованы в Главах 1 и 3.

4.2 Математическая модель программы

На рис. 4.1 изображена схема математической модели программы. По заданным скорости передачи ( В ), длины ООВ ( Ь ), удельной дисперсии ( Б ) и ширине спектральной линии источника излучения (ДА,) , рассчитывается форма импульса на входе ФПУ ( Е1П(1;)). Нш(у) преобразование Фурье от Ет(1), у = Г / В нормированная частота. Нпу(у) функция передачи ФД и ПУ зависящая от схемы включения ПУ, Нк(у) - функция передачи усилителя-корректора, НР(у) - частотная характеристика фильтра.

ПУ Ус. - корр. Фильтр

Рис. 4.1 Схема математической модели программы, ПРД - передающее устройство, ПУ - предварительный усилитель, Ус. - корр. - усилитель -корректор

Далее, определяется функция передачи ФПУ: Н(у)=Нпу(у)Нк(у) HF(y)/Hm(y) и вычисляются интегралы Персоника (Ii , I2 , I3 ). Далее, следует расчёт шумовых токов различных источников шумов для различных схем включения и типов транзисторов, и расчёт порога чу в ствите л ь н о сти ФПУ при использовании p-i-n ФД.

В следующем пункте анализируются зависимость спектральной плотности шумов S(y) от частоты. Затем вычисляется порог чувствительности ФПУ при использовании ЛФД и из уравнения йЧРпр /dM = 0 определяется оптимальный коэффициент лавинного умножения.

В заключении, с помощью обратного преобразования Фурье от Нр(у), находится импульсная характеристика фильтра hF(t) и форма импульса на

1 1 выходе ФПУ: hout(t) = у { KJy) Нпу(у) Hk(y) HF(y) } , где: — - обратное преобразование Фурье.

Работа программы проиллюстрирована на примере ФПУ с ПТ, с предварительным усилителем включённым по схеме ИУ, усилителем -корректором и фильтром типа " приподнятый косинус ".

Программа написана в среде Mathcad 6.0 plus, алгоритм и текст программы приведены в Приложении 7 и 8.

Заключение

В диссертационной работе исследовались методы повышения помехозащищённости высокоскоростных цифровых ВОСП .

В первой главе анализируются факторы ухудшающие помехозащищённость ВОСП, вводится математический аппарат для расчёта порога чувствительности ФПУ. В процессе работы получены следующие результаты.

1. По критерию максимального отношения сигнал/помеха для заданной частотной характеристики синтезирована входная цепь ФПУ. Для улучшения согласования между фотодиодом (ФД) и предварительным усилителем (ПУ) предложено включить согласующее звено. Найдено аналитическое выражение для значения согласующей индуктивности. В результате согласования по шумам, отношение сигнал/помеха, приведённое ко входу предварительного усилителя, возросло на 3 - 5 дБн в зависимости от типа транзистора и его шумовых параметров.

2. Для приёмного оптического модуля СП БТМ 64 был рассчитан порог чувствительности, исследованы факторы его ухудшающие, синтезирован четырёхполюсник, позволяющий согласовать сопротивление ФД и входное сопротивление ПУ в широкой полосе частот. Тем самым, устранялись шумы, вызванные отражением от входа обратной волны. Согласующий четырёхполюсник представлен как односторонне нагруженный Ф1ТЧ 4 порядка, включающий в себя паразитные элементы ФД. Включение согласующего четырёхполюсника позволило на 15 - 20 % снизить порог чувствительности приёмного оптического модуля.

Во второй главе анализировалась помехозащищённость ВОСП с волоконно-оптическими усилителями (ВОУ) при использовании основных схем включения ВОУ в линейный тракт.

Предложена методика расчёта порога чувствительности ВОСП для трёх схем включения ВОУ. Показано, что при включении ВОУ в качестве предусилителя необходимо использовать узкополосный оптический фильтр, рассмотрены требования к спектральной характеристики фильтра. Исследованы факторы ухудшающие помехозащищённость СП и предложены методы для минимизации порога чувствительности.

Третья глава посвящена исследованию помехозащищённости ВОСП со спектральным уплотнением каналов и разработке оптических компонентов линейного тракта ВОСП, повышающих помехозащищённость. К этим устройствам относятся: оптические фильтры, используемые для ограничения спектра усиленной спонтанной эмиссии ВОУ и для разделения оптических сигналов разных длин волн; оптические корректоры для сглаживания спектра усиления ВОУ; оптические компенсаторы дисперсии на базе Брэгговских дифракционных решёток. Были получены следующие результаты.

1. Предложен новый подход к синтезу оптических фильтров для ВОСП. Для уменьшения уровня боковых лепестков, было предложено ввести зависимость коэффициента связи к от продольной координаты. В результате синтеза оптических фильтров на основе связанных волноводов по заданной зависимости коэффициента связи k(z) уровни боковых лепестков удалось снизить на 10 дБм ( от -10 до -20 дБм), что делает пригодным использование таких фильтров в СП со спектральным уплотнением каналов. Также была найдена функция физического разделения волноводов D(z) позволяющая реализовать заданную k(z). Аналогичные результаты были получены для оптических фильтров на основе Брэгговской дифракционной решётки сформированной в сердцевине ОВ.

2. Исследовано влияние разноса между оптическими несущими соседних каналов и ширины спектральной линии источника излучения на отношение сигнал / помеха и проигрыш в пороге чувствительности на выходе оптических демультиплесоров.

3. На основе фильтра МЦ была предложена принципиальная схема перестраиваемого оптического корректора (ОК), сглаживающего спектр усиления ВОУ. Неравномерность усиления ВОУ после включения ОК не превышала 1 - 2 дБ в полосе 1.53 - 1.56 мкм.

4. Для компенсации дисперсии ООВ на длине волны 1.55 мкм предложено использовать устройство компенсации дисперсии на основе Брэгговской дифракционной решётки с линейно изменяющимся периодом, сформированной в сердцевине ОВ. Рассчитаны параметры устройства: полоса пропускания величина создаваемой дисперсии ( противоположной по знаку дисперсии ОВ), функция изменения периода ДР по длине устройства, разработаны схемы включения устройства.

В четвёртой главе была разработана компьютерная программа моделирующая прохождение сигнала по ООВ и работу ФПУ.

На основе компьютерного моделирования разработана математическая модель фотоприёмного устройства и линейного тракта ВОСП. Программа позволяет при заданной скорости передачи найти форму импульса на входе ФПУ, имитирует работу основных узлов ФПУ: предусилителя, усилителя-корректора, фильтра. Рассчитываются функция передачи ФПУ для двух схем ПУ: с трансимпедансным усилителем (ТИУ) и интегрирующим усилителем (ИУ) при использовании полевого или биполярного транзисторов, двух типов фильтров: "приподнятый косинус" и ФНЧ Баттерворта п - го порядка.

Рассчитываются интегралы Персоника, характеризующие влияние функции передачи ФПУ и формы входной посылки на порог чувствительности. Рассчитывается порог чувствительности ФПУ для всех комбинаций элементов и схем для случая р-г-п ФД и лавинного фотодиода. Рассматриваются спектральные плотности шумов, оптимизационные алгоритмы по уменьшению порога чувствительности ФПУ. С помощью Фурье анализа вычисляются импульсные характеристики фильтров и форма импульсов на выходе ФПУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шиянов, Вадим Анатольевич, 1998 год

Литература:

1. "Технология оптической передачи со скоростью 10 Гбит/с", ВИНИТИ, серия: радитехника, электроника и связь, № 24, 1997, стр. 2-16

2. " Successful experiment on ultrafast, large capacity optical transmission at 400 Gbit/s NTT Review №1, 8 ( 1996 ), стр. 8-9

3. H. Kubota, M. Nakazawa " Soliton transmission field experiment " , NTT Review № 2, 8 (1996), стр. 65-71

4. А. В. Белов, А. С. Курков, С. И. Мирошниченко, В. А. Семёнов Одномодовые волоконные световоды с модифицированной дисперсией " , Труды ИОФАН, Т 39, Волконная оптика, стр. 148-167

5. Н. Kogelnick " Filter response of nonuniform almost periodic structures " BSTJ, №1, 1976, стр. 109-125

6. I. Bennion, J. A. R. Williams, L. Zhang, K. Sugden, N. J. Doran " UV-written in fibre Bragg gratings " Opt. and Quant. Electron. 28 ( 1996 ) 93, стр. 105-130

7. S. V. Chernikov, J. R. Taylor, R. Kashyar " All - fiber dispersive transmission filters based on fiber grating reflectors " Opt. Lett. 20, 14 ( 1995 ) 1586

8. E. M. Дианов, A. M. Прохоров " Оптическая связь на основе нелинейных явлений в волоконных световодах " , Вестник АН СССР, № 10, 1990, стр. 43-49

9. R. Kashyar , R. Wyatt, P. McKee , Electronics Letters , 29, (1025) 1993

10. E. M. Дианов, В.И. Карпов, А. С. Курков, В. Н. Протопопов " Методы сглаживания спектра усиления эрбиевых волоконных усилителей " , Квантовая электроника , 23, № 12 (1996), стр. 1059-1064

11." Волоконно - оптические усилители : состояние и перспективы развития " , Зарубежная электронная техника , № 2,1996, стр. 51-56

12. Е. М. Dianov " Raman fiber amplifiers for the spectral region near 1.3 pm Laser Physics , vol. 6 , № 3, 1996, стр.579-581

13. L. Dong, P. Hua, T. A. Birks, L. Reekie, P. St. Russell "Novel add / drop filter for wavelength division multiplexing optical fiber systems using a Bragg grating assisted mismatched coupler", IEEE Photon. Technology Lett., vol 8, №12, 1996, стр. 1656-58

14. Mathcad 6.0 Plus. Финансовые, инженерные и научные расчёты, М., 1997

15. Робинсон Ф.Н. Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях , Под редакцией Карцева Ю.А. - М.: Атомиздат, 1980 - 255 с.

16. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях , Под редакцией Нарышкина, М.: Советское Радио, 1977 - 416 с.

17. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах , Под редакцией Губанкова В.Н., М.: Мир, 1986 - 366 с.

18. Huneck M " Исследование шумов в оптических p-i-n ФД - ПТ приёмниках", Nachrichtentechnik Elektronik , 1987, № 12, стр. 467-471

19. К. Ogawa " Noise caused by GaAs MESFET in optical receivers ", В ST J, 60 (1981) стр. 923-928.

20. Персоник С.Д. " Проектирование приёмников для систем с волоконными световодами " , ТИИЭР , (65) 1977, № 12, стр. 47-57

21. S. D. Personick " Receiver design for digital fiber optic communication systems ", BSTJ, Vol. 52 (1973), №6, стр. 843-886

22. И. Нетцер " Проектирование малошумящих усилителей ", ТИИЭР, 1981, т.69, № 3, стр. 58-74

23. R.G. Smith, S.D. Personick " Receiver design for optical fiber communication systems ", Top. Appl. Phys., 1980 , 39

24. E. Einarsson "Performance analisis of optical receivers by Poisson and Gaussian approximation J. of optical comm., 16 (1995), № 6

25. J. J. O'Reilly, L.R. Watkins, K. Schumacher " New strategy for the design and realisation of optimised receiver filters for optical telecommunications " , IEE Proc. , Pt. J, 137 (1990), № 3, стр. 181-185

26. Wang H., Ankri D. "Monolithic integrated photoreceiver implemented with GaAs/GaAlAs heterojunction bipolar photo-transistors and transistors" , Electronics Letters, 22 (1986), №7

27. Metzger W., Bauer J.G., Clemens P.G. " Photonic integrated transceiver for the access network " , Optical and Quantum Electronics 28 (1996), стр. 51-56

28. Т. Shibata, S. Kimura, Y. Imai, E. Sano " Very-broadband 1С module design technology" NTT Review, vol. 8, №6, 1996, стр. 17-25

29. С. S. Aitchison " The intrinsic noise figure of the MESFET distributed amplifier " IEEE Trans. onMTT , vol. MTT-33, № 6, 1985, стр. 460-464

30. A.P.Freundorfer, P.X. Lionais "A low-noise broadband GaAs MESFET monolithic distributed preamplifier", IEEE Photon.Techn. Lett. 7 (1995), № 4, стр. 424-426

31. A. P Froundorfer, L. Nguyen " Noise in distributed MESFET preamplifiers " IEEE jornal of Solid-State Circ., vol. 31, №8, 1996, стр. 1100-1111

32. P. Moreira, I. Darwazeh, J.O. Reilly " Distributed amplifier signal shaping strategy for multigigabit digital optical transmission ",Electon. Lett., vol. 29, (1993) , № 8

33. Шевцов Э.А. " Оценка чувствительности фото детекторов, предназначенных для оптических линий связи " , Электросвязь, 1971 , № 8, стр. 62-67

34. Э. А. Шевцов "Влияние фильтрации сигнала и шума, вносимого усилителем, на порог чувствительности фотоприёмного устройства BOJIC" , Электросвязь, 1990, №10, стр. 40-43

35. Крупина B.JI. " Взаимосвязь параметров приёмных оптоэлектронных модулей в волоконно-оптических системах передачи ", ТСС / ТПС , 1988, №5

36. Крупина B.JI. "Инженерная методика расчёта порога чувствительности приёмных оптоэлектронных модулей в цифровых световодных системах передачи информации", ТСС / ТПС , 1985, №1, стр. 11-18

37. Крупина B.JI. "Оптимизация полосы пропускания приёмных устройств волоконно-оптических систем передачи ", ТСС / ТПС , 1990, №2

38. Э. А. Шевцов, М.Е. Белкин Фотоприёмные устройства ВОСП , М: Радио и связь, 1992 - 221 стр.

39. W. Baier " Optimierung der frequenzcharakteristik digitaler optischer empfanger ", Nachrichtentechnik Elektronik, 1989, №10, стр. 364-370

40. N. Ohkawa " 20 GHz bandwidth low-noise HEMT preamplifier for optical receivers " Electon. Lett., vol. 24, №17, 1988, стр. 1061-1062

41. Y. Akahori, M. Ikeda, A. Kohzen, Y. Akatsu "11 GHz ultrawide-bandwidth monolithic photoreceiver using InGaAs PD and InALAs / InGaAs HEMT s", Electon. Lett., vol. 30, №3, 1994

42. M.Violas " Heterodine dtection at 4 Gb/s using a simple p-i-n HEMT receiver ",Electon. Lett., vol. 27, №1, 1991, стр. 59-61

43. G.L.Matthaei, L.Young, E.Jones "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures", Norwood, MA:Artech House, 1981, стр. 100-110

44. Под ред. А. А. Ланнэ "Расчёт и проектирование линейных аналоговых устройств " Л.: 1980, 231 стр.

45. Двайт Г. Б. Таблицы интегралов , М : Наука, 1977, 223 стр.

46. G.P. Agrawal "Optical communication systems " , New York, Wiley , 1992

47. Peroni " Gain in EDFA : a simple analytical for rate equations " , Opt. Lett. 15,

(1990), стр. 842-844

48. A.H. Братчиков, А.П. Шеремета, T.A. Садеков " Эрбиевые волоконные усилители", Зарубежная радиоэлектроника, № 12, 1997, стр. 34-47

49. К. Inoue "Analytical modelling of EDFA" , Appl. Optics, 1995, стр.6158

50. Ruhl, "Prediction of optimum fibre lengths for EDFA" , Electron. Letters, 27

(1991), стр. 769

51. N.A. Olsson " Lightwave system with optical amplifiers " , J. Lightwave Techn. 7, (1989), стр. 1071-1089

52. С. R. Giles " Propagation of signal and noise in EDFA ", J. Lightwave Techn. 9, (1991), стр. 147-154

53. E. Desurvire " Amplifier of ASE in EDFA " , J. Lightwave Techn. 7 (1989), стр. 835-845

54. H. A. Haus, W. S. Wong "Soliton in optical communication" , Rev. Modern Phys., 68 (1996), № 2, стр. 423-444

55. В. Pedersen " The design of EDFA ", J. Lightwave Techn. 9 (1991), стр. 1105

56. В. Hillerrich, M. Holz " 980 nm / 1480 nm - pumped EDFA optimized for AM Video distribution systems " , J. Optical Comm., 17 (1996), № 1, стр. 31-33

57. T.Rasmussen, A.Bjarklev, B.Pedersen, J.Povlsen "Optimum placement of a fiber optical amplifier in high-bit-rate direct ditection systems", 30(1991), №30, стр.4376-78

58. Хаус X. А. Волны и поля в оптоэлектронике , М: Мир, 1988

59. Huang W. Р. " Coupled mode theory for optical waveguides "J. Opt. Soc. Am. part A, vol. 11, № 3, 1994, стр. 963-982

60. Little В. E. "Filter synthesis for coupled waveguides" J. Lightwave Techn., vol.15 №7, 1997, стр. 1149-1155

61. Унтер X. Г. Планарные и волоконные оптические волноводы, М: Мир, 1980

62. I. Bennion, J. A. R. Williams, L. Zhang, К. Sugden, N. J. Doran // UV-written in fibre Bragg gratings Opt. and Quant. Electron. 28 ( 1996 ) 93, стр. 105-130

63. S. Juma " Bragg gratings boost data transmission rates ", Laser Focus World , 1996, № 11, стр. s5-s9

64. F. Quellette " Dispersion cancellation using linearly chirped Bragg gratings filters in optical waveguides Opt. Lett. 12 (1987) № 10

65. F. Quellette " All - fiber filter for efficient dispersion compensation", Opt. Lett. 16 (1991), № 5, стр. 847-849

66. S. Thibault, J. Lauzon, J.F. Cliche " Numerical analysis of the optimal length and profile of a linearly chirped fiber Bragg grating for dispersion compensation ", Opt. Lett. 20 (1995), №6, стр. 647-649

67. P. St. J Russel, J. L. Arhambault, L. Reekie, Physics World (Oct. 1993 ) 41.

68. S. V. Chernikov, J. R. Taylor, R. Kashyar "All - fiber dispersive transmission filters based on fiber grating reflectors " , Opt. Lett., 20 ( 1995 ), № 14

69. C.J. Brooks, G.L. Vossler, K.A. Winick "Integrated-optic dispersion compensator that uses chirped gratings", Opt. Lett., 20 ( 1995 ), № 4, стр. 368-370

70. Дианов E.M. " Фотоиндуцированные внутриволоконные решётки показателя преломления", Квантовая электроника, 1997, №2, стр. 151

71. Дианов Е.М. "Запись решёток показателя преломления в GeSi02 волноводах", Квантовая электроника, 1997, №2, стр. 160

72. Дианов Е.М., Карпов В.И., Курков A.C., Протопопов В.Н. Методы сглаживания спектра усиления эрбиевых волоконных усилителей, "Квантовая электроника", №12, 1996, стр. 1059-1064

73. Гауэр Д. Оптические системы связи, М[; Радио и Связь , 1989

74. Г. Агравал Нелинейная волоконная оптика, М : Мир, 1996

75. Лев А. Ю. Теоретические основы многоканальной связи, М : Связь, 1978

76. Daher J.K., " Measured and modeled conducted susceptibility characteristics of a lithium niobate electrooptic modulator", IEEE Trans. Electrom. Сотр., 1994 (36), №4

77. С. Мэзон, Г. Циммерман Электронные цепи, сигналы и системы.. М: Издательство иностранной литературы, 1963 ,619 стр.

Авторские публикации в которых изложены основные результаты диссертации

1. Заславский К.Е, Шиянов В.А. " Определение длины усилительного участка аналоговой ВОСП ", МНТК Информатика и проблемы телекоммуникаций, 1995

2. Шиянов В.А. , Заславский К.Е. " Синтез входного каскада ФПУ по критерию минимизации шумов", НТК Информатика и проблемы телекоммуникаций, 1996 г

3. Заславский К.Е. , Шиянов В.А. " Синтез входного каскада ФПУ по критерию минимизации шумов ", Труды учебных заведений связи, г. Санкт-Петербург, т. 163, 1997, стр. 43-46

4. Заславский К.Е., Шиянов В.А. "Методы компенсации дисперсии OB" , МНТК Информатика и проблемы телекоммуникаций , апрель 1997 г, стр. 149

5. Шиянов В.А. "Порог чувствительности ВОСП использующих волоконно-оптические усилители", НТК Информатика и проблемы телекомм., 1998 г, стр.85

6. Шиянов В.А " Синтез оптических фильтров для ВОСП ", там же, стр. 87

7. Заславский К.Е., Шиянов В.А. "Оптические компенсаторы дисперсии, использующие Брэгговские дифракционные решётки" , Электросвязь , 1998 , в печати (прилагается справка из редакции журнала)

8. Заславский К.Е., Шиянов В.А. "Оптические компоненты ВОСП ", учебное пособие, (план выпуска конец 1998 г. )