Волоконно-оптические системы передачи данных


Задача 1

Определить затухание (ослабление), дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим (погонным) затуханием (ослаблением) a (дБ/км) на длине волны излучения передатчика l0 (мкм), ширине спектра излучения Dl0,5 на уровне половины максимальной мощности излучения.

Длина секции L=113 км.=113. 103 м.

Тип волокна – LEAF (одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией).

Затухание α=0,24 дБ/км.=0,24. 10-3 дБ/м.

Длина волны λо =1,56 мкм.=1,56. 10-6 м.

Спектр ∆λ0,5 =0,15 нм.=0,15. 10-12 м.

Хроматическая дисперсия D=4,2 пс/(нм. км)

Результирующее максимальное затухание секции находится из соотношения:

αм =α. L+αс. Nс дБ.

Где:

αс – потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля (αс = 0,05 дБ)

Nс – число стыков, определяемое:

Nс = Е[L/lС -1] = 113/2-1 = 55

Где:

LС = 2 км.

αм = 0,24. 10-3. 113. 103 +0,05. 55 = 29,87 дБ.

Результирующая совокупная дисперсия секции находится:

с.

Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения:

Гц.

Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от ∆Fов и их формы, которую принято считать прямоугольной или гауссовской:

Вг =1,34. ∆Fов =1,34. 5,25. 106 =7,03. 106 бит/с.

Задача 2

Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри – Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).

Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн Dl при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.

Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде lО при коэффициенте отражения R.

Изобразить конструкцию полоскового лазера FP.

Изобразить модовый спектр.

Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L.

Изобразить конструкцию лазера DFB.

Конструкция полоскового лазера FP:

Модовый спектр:

Конструкция лазера DFB:

Параметры лазера FP:

Длина лазера L=300 мкм.=300. 10-6 м.

Dl=45 нм.=45. 10-9 м.

N=3,3.

LО =0,4 мкм.=0,4. 10-6 м.

R=0,39.

Частота моды определяется из соотношения:

Где:

С – скорость света (3. 108 м/с),

M – номер моды,

L – длина резонатора,

N – показатель преломления.

Расстояние между модами определяется из соотношения:

м.

Добротность резонатора на центральной моде l0 определяется из соотношения:

Число мод в интервале Dl определяется отношением:

M=Dl/Dlm =45. 10-9 /0,8. 10-10 =556,9

Параметры лазера DFB:

Длина лазера L=250 мкм.=250. 10-6 м.

Порядок решетки m=7.

Шаг решетки d=0,7 мкм.=0,7. 10-6 м.

Показатель преломления nэ =3,68.

Для определения длины волны и частоты генерации одномодового лазера DFB необходимо воспользоваться соотношениями:

L0. m=2d. nэ =>

М.

Гц.

Гц.

Задача 3

Построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него.

Для заданных тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h. По построенной характеристике указать вид источника.

I, мА

0

5

10

15

18

20

22

24

26

28

P1 , мкВт

0

15

30

45

60

90

160

230

310

370

Ток смещения I=13 мА.

Амплитуда тока модуляции Im =4 мА.

Рис. Ватт – амперная характеристика.

Pmax = 46 мкВт.

Pmin = 33 мкВт.

Для определения глубины модуляции используем соотношение:

(в разах).

Задача 4

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным.

Используя график и данные определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Чувствительность, А/Вт

0,3

0,45

0,53

0,58

0,62

0,67

0,7

0,73

0,65

0,1

Длина волны, мкм.

0,85

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,78

Мощность излучения Pu=2,0 мкВт.

Длина волны l=1150 нм.=1,15 мкм.

При решении задачи необходимо учесть соотношения:

Где:

ЕФ – энергия фотона,

Е – заряд электрона = 1,6. 10-9 Кл,

ηВН – внутренняя квантовая эффективность фотодиода = 0,5,

H – постоянная Планка= 6,26. 10-34 Дж. с,

С – скорость света = 3. 108 м/с.

По графику определяем, что материал для изготовления прибора – германий.

Энергия фотона:

эВ.

Ток фотодиода:

А.

Чувствительность фотодиода:

А/Вт

Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением:

Где:

Еg для германиевых диодов = 0,66 В.

мкм

Задача 5

Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) или транс-импедансный усилитель (ТИУ) и фотодетектор (ЛФД или p-i-n).

Характеристики ФПУ:

Тип ФД: ЛФД.

Тип усилителя: ТИУ.

Rэ=90 кОм=90. 103 Ом.

Сэ=3,8 пФ.=3,8. 10-12 Ф.

ηвн =0,8 М=15.

Fш (М)=7.

Т=310.

Дш =5.

Кус =150.

Характеристики передачи:

Pпер =0 дБм.

L=60 км.

α=0,6 дБ/км.

L=0,85 мкм.

Полоса частот усиления ФПУ с ТИУ ограничена полосой пропускания усилителя и находится из соотношения:

Гц

Фототок детектора создается падающей оптической мощностью и зависит от типа фотодетектора. Величина фототока вычисляется из соотношений:

Вт

А.

Где:

H – постоянная Планка;

Е – заряд электрона;

ηВН – внутренняя квантовая эффективность;

М – коэффициент умножения ЛФД;

РПР – мощность сигнала на передаче;

Α – километрическое затухание кабеля;

L – длина кабельной линии.

Для вычисления основных шумов ФПУ, а это квантовый и тепловой шумы, необходимо воспользоваться соотношениями:

Вт.

Вт.

Где К – постоянная Больцмана 1,38. 10-23

Отношение сигнал/шум вычисляется из соотношения:

Задача 6

Используя приложения для оптических интерфейсов аппаратуры SDH, определенных рекомендациями МСЭ-Т G.957, рассчитать число промежуточных регенераторов и расстояние между ними.

Составить схему размещения оконечных и промежуточных станций с указанием расстояний. Определить уровень приема РПР [дБ] на входе первого, считая от оконечной станции, регенератора, вычислить допустимую вероятность ошибки одного регенератора.

Тип оптического интерфейса: S-4.1

Затухание оптического кабеля αк =0,5 дБ/км.

Дисперсия оптического кабеля D=3 пс/(нм. км)

Длина линии L=1247 км.

Строительная длина кабеля Lс =4,5 км.

Затухание на стыке длин αс =0,09 дБ.

Из таблицы к методическим указаниям:

Pпер. макс = -4 дБ – излучаемая мощность.

Pпр. мин = -32 дБ – минимальный уровень оптической мощности.

Расстояние между регенераторами определяется из соотношения:

Где:

А – энергетический потенциал оптического интерфейса:

A=Pпер. макс. – Рпр. мин. =-4-(-32)=28 дБ.

Э – энергетический запас на старение передатчика и приемника и восстановление поврежденных линий, рекомендуется:

Э=3 дБ.

αк – затухание оптического кабеля, дБ/км

αс – затухание на стыке строительных длин, дБ

Lс – строительная длина кабеля, км

км.

Число регенераторов определяется из соотношения:

Совокупная дисперсия регенерационного участка определяется соотношением:

σ=D. ∆λu. Lp

Где:

∆λu=0,5. ∆λ0,5

∆λ0,5 – среднеквадратическая ширина спектра источника излучения на уровне 0,5 от максимальной мощности, что соответствует обозначению -3 дБм от максимального уровня.

Для интерфейса S-4.1 приведено значение на уровне -3 дБм это 2,1 нм.

∆λu=0,5. ∆λ0,5 =0,5. 2,1=1,05 нм.

σ=D. ∆λu. Lp=3. 1,05. 48,07=151,44 пс.

Необходимо проверить совокупную дисперсию для регенерационного участка. Она должна быть меньше приведенной в таблице приложения для интерфейса.

По данным таблицы максимальная хроматическая дисперсия составляет 90 пс/нм, т. е. условие не выполняется: 3. 48,07 = 144,21 пс/нм что больше 90 пс/нм.

Производим пересчет длины регенерационного участка, чтобы совокупная дисперсия не превышала максимальной хроматической.

LP =90/3=30

Для того чтобы обеспечить запас выберем длину регенерационного участка равной 29 км.

Тогда:

3. 29 = 87 пс/нм что меньше 90 пс/нм, т. е. условие выполняется.

Число регенераторов определяем из соотношения:

Допустимая вероятность ошибки одного регенератора вычисляется из норматива на ошибки для магистрального участка сети 10000 км:

Pош=10-7

Таким образом на 1 км линии:

Pош=10-12

Вероятность ошибки вычисляется из соотношения:

Минимальную длину участка регенерации определяют по нижеприведенной формуле, уменьшая в ней энергетический потенциал А на величину D.

D-динамический диапазон регенератора (D=20-26 дБ), примем D=23 дБ.

Уровень приема Pпр на входе регенератора:

Pпр =Рпер -αк. Lp=-4-0,5. 48,07=-28,04 дБ.

Схема размещения оконечных и промежуточных станций:



Зараз ви читаєте: Волоконно-оптические системы передачи данных