Элементы волоконно-оптических систем кабельного ТВ и их особенности

Разработку комплексов кабельного ТВ на новом перспективном виде направляющих систем — волоконно-опти­ческих линиях связи (ВОЛС) — можно сравнить с революцией, которую произ­вела смена электронно-вакуумных ламп их твердотельными аналогами — тран­зисторами. ВОЛС обладают рядом свойств, выгодно отличающих их от про­водных (коаксиальных и симметрич­ных) линий связи: широкополосность, малое затухание, высокая защищён­ность от внешних электромагнитных по­мех, скрытность передачи, малые пере­ходные помехи между соседними опти­ческими волокнами (ОВ) в многоволо­конном оптическом кабеле, малые габариты и масса, удобство прокладки и т. п. Волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) ТВ-сигнала строится по типовой схеме (рис. 3.27): оптиче­ское излучение генератора 2 модули­руется по какому-либо параметру с помощью модулятора 1; модулированный световой поток вводится в оптическое волокно 3 и проходит через него. В фо­топриёмнике 4 промежуточного пункта 6 происходит демодуляция оптического излучения, электрический сигнал затем усиливается, корректируется и вновь подаётся на модулятор. Специфические особенности ВОСП определяются очень высокой частотой несущего колеба­ния оптического генератора 2 ( Гц) и физическими процесса­ми, происходящими при модуляции-де­модуляции оптического излучения и его прохождении по ВОЛС.

Рис. 3.27. Структурная схема волоконно-оптической системы передачи сигналов: 1 — модулятор; 2 — оптический генератор; 3 — оптическое волокно; 4 — фотоприёмник; 5 — усилитель.

Рис. 3.28. Упрощённая схема включения полупроводникового оптического излучателя.

Генератор 2 может модулироваться полезным аналоговым или дискретным (цифровым) сигналом по амплитуде (интенсивности), частоте, фазе и поляризации, а также одновременно по не­скольким из этих параметров. Различают модуляцию внешнюю (с помощью специального оптического модулятора на выходе источника непрерывного оп­тического излучения) и внутреннюю (электрический сигнал изменяет непо­средственно режим генерации оптиче­ского излучения). Для ВОСП обычно используют полупроводниковые генераторы — светодиоды и полупроводни­ковые лазеры, у которых малые габариты, масса и потребляемая мощность, высокое быстродействие, простота методов модуляции, большой срок службы, малая стоимость. Подобные излучатели допускают только один вид модуляции — по амплитуде (по интенсивности), которая осуществляется путём изменения тока накачки , протекающего через излучатель (рис. 3.28). Примерная форма статической ватт-амперной характеристики (ВтАХ) излучателей приведена на рис. 3.29, где кривая 1 характерна для светодиода, кривая 2 — для полупроводникового лазера. Наличие сравнительно линейного участка характеристики светодиодов позволяет использовать их в режиме непосредственной модуляции аналоговым ТВ-видео- или радиосигналом с АМ или ЧМ. Коррекцию нелинейности характеристики в диапазоне видеочастот осуществляют с предыскажением сигнала, например, с помощью -корректора. Полупроводниковые лазеры, как правило, имеют сугубо нелинейную ВтАХ, которую не удаётся скорректировать. Поэтому их модулируют сигналами импульсной формы. В системах передачи аналоговых сигналов в этом случае используется промежуточная ступень преобразования — импульсно-кодовая или аналого-импульсная модуляция (напр., ЧИМ, ШИМ, ФИМ) и полученные сигналы подаются на оптический излучатель.

Рис. 3.29. Изменение интенсивности оптического излучения при различных видах ватт-амперной характеристики и токах накачки.

Зависимость изменения интенсивности оптического излучения от формы тока накачки описывается нелинейными интегродифференциальными уравнениями. В первом приближении оптический излучатель представляют в виде последовательного соединения 2 звеньев — нелинейного безынерционного и линейного инерционного. Нелинейность первого звена определяется статической ВтАХ, а инерционность второго характеризуется эквивалентным импульсным откликом или эквивалентной частотной характеристикой для модулирующего сигнала . Функции и связаны преобразованиями Фурье. Обычно используют простейшие аппроксимации вида или , где — постоянный параметр, определяемый расчётным путём или экспериментально. Для уменьшения длительности фронтов оптических импульсов полупроводникового лазера и стабилизации параметров излучателя рабочую точку накачки выбирают вблизи излома ВтАХ (вблизи на рис. 3.29) и поддерживают её автоматически с помощью системы автоматической регулировки (САР). Совокупность полупроводникового лазера (или светодиода), усилителя тока накачки и САР образуют передающий оптоэлектронный модуль. Серийно выпускаются модули, позволяющие передавать импульсные цифровые сигналы со скоростями до сотен Мбит/с, номинальные значения которых обычно соответствуют иерархии цифровых систем передачи.

В фотоприёмном устройстве осуществляется преобразование оптической энергии в электрический сигнал. Используется прямое фотодетектирование. Фотоприёмник выполняет: 1) детектирование оптического излучения и выделение электрического сигнала, мгновенное значение которого пропорционально мгновенному значению оптической мощности излучения (при амплитудной модуляции); 2) усиление электрического сигнала до некоторого уровня, при котором шумы последующих каскадов усиления и обработки не оказывают влияния. В качестве фотодетекторов применяют обычно твердотельные фотодиоды, обладающие внутренним фотоэффектом. Они имеют малые размеры и стоимость, удобно и просто согласуются с оптическим волокном, требуют достаточно низких питающих напряжений, обладают большим быстродействием. Для слабых сигналов фотодиод можно считать линейным инерционным звеном, коэффициент передачи которого для модулирующего сигнала аппроксимируется в виде или , параметр характеризует время жизни носителей в фотодиоде. При малых уровнях оптической мощности на выходе ВОЛС в качестве фотодетектора выбирают лавинные фотодиоды, которые за счёт внутреннего усиления обеспечивают сравнительно большое значение электрического сигнала на входе предварительного усилителя, а следовательно, и наиболее высокое отношение сигнал/шум.

Рис. 3.30. Строение оптического волокна.

Ток в нагрузке фотодиода , возникающий при наличии оптической мощности , определяется из выражения: , мкА, где — квантовая эффективность фотодиода; — длина волны оптического излучения (мкм); — коэффициент лавинного умножения ( для нелавинных фотодиодов); выражается в мВт. Поскольку не зависит от сопротивления нагрузки, включаемой последовательно с фотодиодом, то с целью увеличения мощности полезного сигнала в нагрузке её целесообразно делать высокоомной. Однако при этом возникает значительный спад напряжения сигнала на входе предварительного усилителя с ростом частоты сигнала. Он обусловлен наличием входной ёмкости усилителя, ёмкости фотодиода, а также паразитной ёмкости монтажа и вызывает растягивание коротких фронтов принимаемого сигнала. Для уменьшения этого эффекта в предварительном усилителе включают специальный амплитудно-частотный корректор, называемый противошумовым (ПШК). Выбор параметров нагрузки и ПШК производится из условия обеспечения наибольшего отношения сигнал-шум. Кроме ПШК в усилителе 5 в ряде случаев ставится амплитудно-частотный корректор оптического кабеля (КК), который корректирует неравномерность частотной характеристики оптического волокна . а также оптического генератора и фотодиода для модулирующего сигнала. Частотная характеристика корректора оптического кабеля подбирается в зависимости от вида передаваемого сигнала: для цифровых сигналов коррекция может быть приближённой, для аналоговых — более точной: в полосе частот сигнала.

Рис. 3.31. Распространение оптического излучения в световоде
.

Рис. 3.32. Изменение показателя преломления оптического волокна со ступенчатым (а) и градиентным (б) переходами и ход лучей в градиентном оптическом волокне (в).

Рис. 3.33. Зависимость километрического затухания оптического волокна от длины волны

.

Процесс распространения оптического излучения по ВОЛС рассмотрим на примере трёхслойного оптического волокна (ОВ; 3.30) внутренний слой которого — сердечник — имеет диаметр и коэффициент преломления , второй слой — оболочка — соответственно и , третий слой — защитное покрытие — и . Часть потока, излучаемого площадкой оптического генератора, падает на границу раздела сердечника с воздухом (его показатель преломления ) под углом . Преломлённый под углом луч в сердечнике поступает на границу раздела с оболочкой, часть потока отражается от неё, а часть проходит в оболочку под углом . Лучи, падающие под углом , в ОВ не распространяются, так как для них и они проникают в оболочку, где быстро затухают; лучи, падающие под углом , распространяются в ОВ за счёт полного внутреннего отражения. Чем больше предельный угол , тем больше мощность, попадающая от в ОВ. Из рис. 3.31 видно, что лучи, падающие под разными углами , проходят в сердечнике по разным траекториям и при одной и той же длине оптического волокна затрачивают на этот путь разное время. В результате импульс излучения на выходе ОВ окажется не таким коротким (растянутым во времени), каким был на входе. Такое явление называется дисперсией. Дисперсия в ОВ вызывает искажения формы модулирующего сигнала . Для анализа этих искажений определяют (аналитически или экспериментально) импульсную реакцию оптического волокна при подаче на его вход короткого оптического -импульса, а затем, используя преобразование Фурье, определяют коэффициент передачи оптического волокна . В большинстве случаев функцию представляют приближённо в виде , где характеризует уширение импульса в ОВ длиной , — километрическое уширение, зависящее от параметров ОВ (, и ), а также от длины волны генератора . Чем больше , тем больше спад характеристики и сильнее линейные искажения . Для уменьшения надо уменьшать и диаметр сердечника (из рис. 3.30 и 3.31 видно, что при этом уменьшается различие между углами падения различных потоков мощности от в ОВ. ОВ, у которых и , называют соответственно одномодовыми и многомодовыми. Одномодовые ОВ имеют малую дисперсию (широкую полосу пропускания), но зато в них трудно ввести значительную мощность от источника излучения, многомодовые ОВ — наоборот. Последние бывают с разным законом изменения показателя преломления сердечника. Значительное уменьшение достигается в градиентных ОВ, у которых показатель преломления изменяется не скачком, как в ступенчатых ОВ, а более плавно (рис. 3.32, б), в этом случае изменяется характер траекторий распространения оптического излучения (сравни рис. 3.31 и 3.32, в). Затухание энергии оптического излучения в ОВ характеризуется величиной , дБ, где — километрическое затухание ОВ, (дБ/км) — постоянный для данного ОВ коэффициент, зависящий от , профиля изменения , , и т. д. Затухание ОВ в зависимости от (рис. 3.33) имеет заметный минимум в области 1,1 —1,5 мкм, здесь же находится минимум функции . Поэтому по мере разработки генераторов и приёмников оптического излучения все системы передачи по ВОЛС будут работать именно в этом диапазоне. Наиболее освоен диапазон =0,8—0,9 мкм, в котором многомодовые ОВ имеют типовые параметры: 50—60 мкм, 130 мкм, 1,45, =0,2 — 0,3 рад, =2—20 дБ/км, для ступенчатых и градиентных ОВ соответственно равно 6—30 и 2—10 нс/км.

Важнейшим параметром полупроводниковых излучателей (светодиод и полупроводниковый лазер) является эффективность ввода излучения в волокно , где — полная мощность излучения, — мощность, попавшая в ОВ. При использовании типовых ОВ для светодиода составляет (1—5)·10^-3, для полупроводникового лазера 0,2—0,5. Поэтому в системах, рассчитанных на максимально достижимые расстояния между промежуточными пунктами и к тому же высокоскоростных, используются исключительно полупроводниковые лазеры. В системах передачи на короткие расстояния (десятки и сотни метров), когда затухание ОВ невелико, целесообразно применение светодиодов.