Основные характеристики элементов волоконно-оптического линейного тракта специального назначения

УДК 621.315

С. В. Мельников, И. Г. Стахеев, О. В. Титова

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Дата поступления 09.06.2015 Решение о публикации 17.07.2015

Цель: Перечислить и описать характеристики элементов волоконно-оптического линейного тракта, которые необходимо учитывать при проектировании волоконно-оптических систем передачи специального назначения. Сложность заключается в учете огромного количества характеристик и параметров элементов, таких как оптические передатчики, оптические модуляторы, оптические усилители, устройства ввода/вывода оптического сигнала, оптические приемники, которые заметно влияют на качество передаваемой информации. При строительстве волоконно-оптических трактов параметры элементов не рассчитывают, а пользуются заявленными характеристиками, которые могут незначительно различаться, поэтому учет этих параметров особенно важен при проектировании волоконно-оптических линий связи специального назначения. Он позволяет производить расчеты параметров и характеристик оптических элементов радиоэлектронной аппаратуры отечественного производства, применяемой в составе оптических систем передачи специального назначения. Методы: Использованы описательные методы, а также методы математического расчета. Результаты: Расчеты показывают, что при проектировании волоконно-оптических линий связи специального назначения с учетом всех параметров элементов волоконно-оптического линейного тракта можно повысить показатели пропускной способности, длины регенерационного участка, помехоустойчивости. Практическая значимость: Представленные расчеты целесообразно использовать при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по реализации проектов строительства волоконно-оптических сетей связи специального назначения силовых министерств и ведомств. Это необходимо, в первую очередь, для нужд государственного управления, организации правительственной связи, нужд обороны и безопасности государства. Особый интерес материал представляет для отечественных предприятий, занимающихся разработкой и производством оптических активных и пассивных элементов волоконно-оптического линейного тракта специального назначения.

Волоконно-оптический линейный тракт, связь специального назначения, проектирование, активный элемент, параметр.

Sergey V. Mel'nikov, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, departament director, msv0909.spb@mail.ru; Olga V. Titova, leading specialist, olga1110.spb@mail.ru (ОАО „Supertel"); *Ivan G. Stakheev, Cand. Sci. (Eng.), associate professor, kisasig@ yandex.ru (Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications) BASIC CHARACTERISTICS OF THE COMPONENTS OF FIBER OPTIC LINE PATH OF SPECIAL PURPOSE.

49

Objective: To identify and describe the characteristics of the fiber-optic line path components that must be considered for the design of fiber optic transmission systems of special purpose. The difficulty is in taking into account the enormous number of characteristics and parameters of the components, such as the optical transmitters, optical modulators, optical amplifiers, devices for input / output optical signal, optical receiver that affect significantly the quality of transmitted data. During the construction of fiber-optic paths the component parameters do not calculated and are the specified characteristics, that may vary slightly, so taking into account those parameters is particularly important for the design of fiber-optic communication lines of special purpose. It allows to calculate the parameters and characteristics of optical components of electronic equipment of national production, that is used within the optical transmission systems of special purpose. Methods: Descriptive methods and methods of mathematical calculation are used in the article. Results: The calculations show that in the design of fiber-optic communication lines of special purpose, taking into account all the parameters of the fiber optic line path it is possible to improved the bandwidth load, the length of the regeneration section and the noise immunity. Practical importance: These calculations should be used in scientific research and development works for projects of building the fiber-optic networks of special purpose for power-wielding ministries and agencies. It is necessary, first of all, for the needs of government control, organization of government communications, the needs of national defense and security. National companies, involved into development and production of optical active and passive components of fiber optic line path of special purposes are of particular interest for domestic enterprises.

Fiber optic line path, communication network of special purpose, active component, parameter.

Оптические системы передачи приобретают все большую популярность, в том числе на сетях связи специального назначения. В состав оптического линейного тракта входят активные и пассивные оптические элементы. Без учета множества параметров активных оптических элементов невозможно спроектировать оптимальную схему волоконно-оптического линейного тракта специального назначения (ВОЛТ СН), в состав которого входят оптический передатчик, оптический модулятор, оптические усилители, устройства ввода/вывода оптического сигнал, оптический приемник [3].

Расчет параметров оптических передатчиков

Оптические передатчики можно модулировать аналоговым или цифровым сигналом. Для аналогового сигнала важнейшей характеристикой является ширина спектра А/, для цифрового - скорость передачи В. Параметры оптического передатчика во многом зависят от выбора типа оптического модулятора. Различают передатчики с внутренней и внешней модуляцией.

50

Оптические передатчики с внутренней модуляцией (модуляцией по интенсивности) характеризуются следующими параметрами:

• длиной волны излучения X 0;

• шириной линии излучения ДХ;

• средней мощностью излучения РПЕР;

• формой импульса;

• спектром модулированного сигнала;

• мощностью шума передатчика РШпер.

Средняя длина волны рассчитывается по формуле

1 N

Хо = р— Z Р Х ,

-'пер i=1

где X. - длина волны; р. - соответствующая ей мощность в i-й точке

N

РПЕР = Z pi .

i=1

Среднеквадратичная ширина спектра рассчитывается на основе вычисленной средней длины волны

ДХ =

Г! N

P— ZPi (Xi - Х0 ) .

РПЕР i=1

С учетом (1) и (2) мощность передачи РПЕР может быть представлена в виде

о+Д>2

РПЕР = \ Р(Х)dX .

Хо-д>2

X

Мощность передачи РПЕР для каждого оптического передатчика определяется ватт-амперной характеристикой источника излучения.

Форма импульса определяется зависимостью мгновенной мощности передачи от времени. В [5] показано, что РПЕР (t) удобно представлять в виде произведения пиковой мощности импульса P0 на функцию нормированной формы импульса F (t):

РПЕР (t ) = Р0 F (t) .

Функции нормированной формы импульсов могут быть представлены в следующем виде [5]:

51

прямоугольный импульс

F

• треугольный импульс

F (t) =

1 _Ш ]

т К т )

0, 11 |> т;

t \< т,

• экспоненциальный импульс

(l/%c)exp(-1/Tc), t> 0

F (t ) =

0, t < 0;

• гауссов импульс

F

Vi2*)

г exp

о

(-t 2/2о2).

Спектр оптического сигнала S (/) может быть получен преобразованием Фурье F (t):

S (/)=L F (t )exp(- j2nft )dt •

В [5] показано:

• для прямоугольных импульсов:

sin л/т л/т

при

1,44 (А/ )опт

1,96 (А/ ) = S 40 =

1

ц5Т

1 ;

1,15АГ ;

• треугольных импульсов

S

2

sin njt

к n/t )

52

при

1,01 (Af )опт

1,92 (а/) =B = i

1

1,64 т

1 ;

0,82AT ’

• экспоненциальных импульсов

S (f ) = (1 + j 2nfTc Г1

при

т = 0,693тc | H (f ) |= (1 + 4п2 f2т2)"12, 0,91(А/ )опТ = 157(Af )„ = B = ± ;

• гауссовых импульсов

S

при

i,34( а/ )опт=1,89 (A/)=B=-L=^,

где В - скорость передачи; а - среднеквадратическая длительность импульса.

Шумовые свойства передатчика характеризуются квантовыми, частотными и шумами интенсивности.

Процесс излучения фотонов в передатчике носит случайный характер, хорошо согласующийся с законом распределения Пуассона:

n -

p(n) = —-e-n, n!

где n - математическое ожидание числа излучаемых фотонов в интервале времени T :

P P

n = JT = -^ = -^,

Еф hf

где J - интенсивность потока фотонов; Pc - мощность сигнала; Еф = hf -

энергия фотона; h = 6,624 • 10-34 Втс/Гц - постоянная Планка; f - частота колебаний.

53

Дисперсия случайной величины с распределением Пуассона совпадает с математическим ожиданием ^ a = yfn j [1], тогда напряжение квантового

шума, отнесенное к электрической области, может быть представлено как

n

кш

PT hf '

Мощность квантового шума в оптической области представлена выражением

Р

Пкш ¥

т

Pf

т

Соотношение сигнал/квантовый шум на выходе излучателя представлено выражением

PL = J=.

Ркш \hf

Поскольку n велико, доля квантового шума излучателя, приведенного ко входу решающей схемы, мала и при расчетах ей обычно пренебрегают [1].

Шумы интенсивности обусловлены колебаниями среднего числа излучаемых фотонов n. Их закон распределения может быть установлен с помощью соотношения

P(n) = | pn (n / n )W(n )dn ,

0

где pn (n / n) - распределение Пуассона; W(n) - плотность распределения n .

Соотношение (3) позволяет получить целый класс распределений, называемых условно-пуассоновскими. Конкретный вид распределения зависит от характера флуктуаций интенсивности и определяется видом распределения W(n), а дисперсия а2 в условно-пуассоновских распределениях представляет собой сумму дисперсий

а2 = аФ + n,

где аф - дисперсия флуктуаций энергии поля на интервале длительности сигнала, выраженная в числе фотоэлектронов:

54

о

ф

2

|(n - n )2W(n )dn

0

Величину шума, обусловленного флуктуацией интенсивности, можно находить и без определения закона условно-пуассоновского распределения, если известно распределение W(n).

В процессе прохождения оптического излучения через оптический модулятор изменяется также мощность РПЕР оптического сигнала. Как правило, оптические модуляторы вносят дополнительное затухание, которое обозначается как аМод.

Для определения передаточной и шумовой характеристики оптического усилителя значимы два параметра: коэффициент усиления и шум-фактор оптического усилителя.

Коэффициент усиления G

где РСвх и РСвых - мощность (полезных) сигналов на входе и выходе усилителя, соответственно. В общем случае коэффициент усиления оптического усилителя зависит от длины волны и мощности входного сигнала.

Расчет параметров оптических усилителей

Качество оптического сигнала характеризуют величиной, которую принято называть оптическим отношением сигнал - шум, которое равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума в спектральном интервале А у, определяемом окном фильтра или демультиплексора на приемной стороне [4].

Шум-фактор - Noise Factor

При этом мощность шума на выходе будет состоять из мощности усиленного спонтанного излучения РСпШ и мощности шума, связанной с квантовыми флуктуациями:

G = Рс„ых / Р

Свых

Свх ’

55

^Швых РСпШ + huAu

где h - постоянная Планка; Аи - ширина спектра оптического фильтра.

Мощность усиленного спонтанного излучения РСпШ определяется соотношением

РСпШ = 2 Псэ ( G - 1) hvAv ,

где псэ - коэффициент спонтанной эмиссии. Для идеального усилителя

п = 1

Коэффициент спонтанной эмиссии зависит от заселенности уровней эрбия. Если учесть, что РСвых / РСвх = G, то шум-фактор (4) можно выразить через коэффициент усиления и коэффициент спонтанной эмиссии:

NF = G (1 + 2псэ (G -1),

а мощность усиленного спонтанного излучения будет равна

Рсш =( NF  G -1) hvAv .

Для двухкаскадного усилителя с коэффициентами усиления G1 и G2 и шум-факторами NFX и NF2 шум-фактор NF определяется по формуле [4]:

NF = NF1 +

NF2 -1 G1

При построении протяженного ВОЛТ, содержащего несколько усилительных участков, важно знать закон накопления шума. В [4] показано, что полный шум Namp на выходе линии с одинаковыми усилителями определяется по формуле

Na

amp

________1_______

2NZШПсэ (G - 1) + ^

а соотношение сигнал - шум на выходе линии - выражением

OSNR^

P

1

hvAv 2N£шпсэ (G - 1) + 1

Исходя из этого, в [4] сделан вывод, что по мере распространения сигнала между регенераторами значение OSNR может только убывать.

56

Однако данный вывод не учитывал влияния на значение OSNR других элементов ВОЛТ, в частности компенсаторов хроматической дисперсии.

Расчет параметров фотоприемных устройств

В фотоприемном устройстве (ФПУ) действуют следующие типы шумов: тепловой шум, дробовый шум, шум умножения для лавинных фотодиодов (ЛФД), фликкер-шум.

Для анализа шумов ФПУ удобно использовать эквивалентную схему, представленную на рисунке.

Эквивалентная схема входной цепи высокоомного усилителя и фотодиода

Тепловой шум определяется известной формулой Планка:

°2 ( f ) = hf / [ exP ( hf / kT )-1],

где h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура в градусах Кельвина, K°.

Тепловой шум в ФПУ обусловлен входным сопротивлением усилителя и сопротивлением нагрузки фотодетектора:

iR = ( 4kT / R,) In2 B,

где B - скорость передачи; In2 - интеграл Персоника [1], зависящий от передаточной характеристики цепи. Для прямоугольных входных импульсов длительностью 1/ B и выходных импульсов в форме приподнятого косинуса In2 = 0,55 . Для большинства усилителей с высокоомным входом тепловой шум сопротивления нагрузки RH преобладает над составляющей шума, обусловленной входным сопротивлением усилителя, поэтому при расчетах принимают RM = RH.

На выходе полевого транзистора, который, как правило, используется для построения предварительного усилителя ФПУ, за счет проводимости канала существует еще одна составляющая теплового шумового тока [1].

57

i2 =

ШТ

4kTF

ПТ

gT

In2 B / RM +(2 лСобщ )2

In3 B3

где Собщ - общая емкость, включающая емкость фотодиода и общую емкость

предусилителя, состоящую из емкостей затвор - исток, затвор - сток, емкости корпуса и элементов, используемых при монтаже; Fm - шум-фактор полевого транзистора; gT - крутизна полевого транзистора в рабочей точке; In3 - интеграл Персоника, зависящий от частотной характеристики линейного канала ФПУ. Для прямоугольных входных импульсов и выходных импульсов в форме приподнятого косинуса значение In3 = 0,085 [1].

Дробовый шум, обусловленный шумовыми и сигнальными токами фотодиода, рассчитывают по формуле

С = 2е [ /ут + /„ + М2 FIp, + Ic

где е - заряд электрона; I - сумма тока утечки затвора полевого транзистора и других шунтирующих источников тока; /тн - суммарная неумножаемая составляющая темнового тока ЛФД; /тм - умножаемая составляющая темнового тока ЛФД; /С (t) - сигнальный фототок, генерированный в

фотодиоде в момент времени t; M - коэффициент умножения ЛФД; F -шум-фактор лавинного умножения [1].

Выражение, стоящее в (5) в скобках, представляет собой общий входной ток ФПУ.

Фликкер-шум (шум вида 1/ /) рассчитывают по формуле

if =(4kTIn4/gT)(2лС0бЩ )2 /ш В2,

где /ш - граничная частота фликкер-шума; In4 « 0,12 [1].

Полный шумовой ток 1о2бщ ФПУ при аддитивных шумах

•2 -2 -2 -2 -2

1 = 12 + 1 + 12 + 1

общ 1К' 'др ^ 1ПТ^ 1/

Выражение (6) обеспечивает достаточную точность при практическом применении.

При этом выражения для отношения сигнал/шум на выходе усилителя рассчитывают по формуле

H

1

M2

R

1 + ^ (А/ )2 С

\

+ 2eIF + 4k^ +

M 2R M2

58

где I - выходной ток усилителя; иобщ и /общ - соответственно, шумовое

напряжение и ток усилителя; R - нагрузочное сопротивление фотоприемника; C - емкость фотоприемника; k - постоянная Больцмана; M - коэффициент умножения; F - шум-фактор умножения; T - температура в K; а/ - полоса частот [2].

Вывод

Таким образом, сегодня прогресс видов отечественной радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в составе оптических систем передачи специального назначения, идет по пути широкого внедрения активных и пассивных оптических элементов в сетях связи специального назначения. Исследования показали, что при проектировании волоконно-оптических линий связи специального назначения с учетом всех параметров элементов волоконно-оптического линейного тракта позволили улучшить показатели пропускной способности, длины регенерационного участка, помехоустойчивости и т. д. Главным образом, это необходимо для нужд государственного управления, организации правительственной связи, обороны и безопасности государства.

Библиографический список

1. Гордон Г. И. Оценка влияния внешних электромагнитных полей на передаточные свойства оптических волокон / Г. И. Гордон, П. А. Мишнаевский, П. П. Оввян, В. И. Смирнов // Электросвязь. - 1991. - № 10. - С. 31-33.

2. Коржик В. И. Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений : справ. / В. И. Коржик, Л. М. Финк, К. Н. Щелкунов. - М. : Радио и связь, 1981. - 232 с.

3. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети / Р. Р. Убайдуллаев. - М. : Эко-Трендз, 2001. - 267 с.

4. Рекомендация МСЭ-Т G.671 Характеристики передачи оптических компонентов. 2005.

5. Физика полупроводниковых лазеров / пер. с яп. ; под ред. Х. Такумы. - М. : Мир, 1989. - 310 с.

References

1. Gordon G. I., Michnaevsky P. A., Ovvyan P. P., Smirnov V. I. Eletrosvyaz' -Electric communication, 1991, no. 10, p. 31-33.

59

2. Korzhik V. I., Fink L. M., Shchelkunov K. N. Raschet pomekhoustoychivosti sistem peredachi diskretnykh soobshcheniy [spravochnik] (Calculation of noise immunity of discrete messages communication system (handbook)). Moscow, Radio i svyaz', 1981. 232 p.

3. Ubaidullaev R. R. Volokonno-opticheskiye seti (Fiber optic networks). Moscow, Eco-Trends, 2001. 267 p.

4. ITU-T Recommendations G.671. Transmission characteristics of optical components and subsystems. 2005.

5. Fizika poluprovodnikovykh lazerov (Semiconductor lasers physics). Ed. H. Ta-kuma. Trans. from jap. Moscow, Mir, 1989. 310 p.

МЕЛЬНИКОВ Сергей Васильевич - канд. техн. наук, доцент, начальник отделения, msv0909.spb@mail.ru; ТИТОВА Ольга Викторовна - ведущий специалист, olga1110.spb@mail.ru (ОАО «Супертел»); *СТАХЕЕВ Иван Геннадьевич - канд. техн. наук, доцент Учебного военного центра ИВО, kisasig@yandex.ru (Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича).

© Мельников С. В., Стахеев И. Г., Титова О. В., 2015

60