CSc. FOT 2010

Transkript

1 Optické přenosové součástky stky a systémy Ing.Vítězslav Jeřábek, CSc FOT 2010 jerabek@fel.cvut cvut.czcz

2 Principy přenosu p optické informace Obecné blokové schéma optického spoje lit. [ 1 ]

3 Principy přenosu p optické informace Základní principy - výhody Odolnost vůčv ůči i rušivým elektromagnetickým signálům Malé vyzařov ování optické energie mimo vlnovod Galvanické oddělen lení koncových zařízen zení Velká kapacita optických spojů daná vysokou frekvencí záření Hz Pásmo dnes využívaných vaných vlnových délek d obsahuje pásmo p viditelných vlnových délek d a blízk zké infračerven ervené pásmo 0,4 až 1,6 µm Nízká cena výchozího materiálu, nízkn zká hmotnost a rozměry ry

4 Principy přenosu p optické informace Základní principy nevýhody Nelze přenp enášet energii kupř.. pro napájen jení mezilehlých komunikačních systémů Náročnější technologie pro výrobu a spojování optických vlnovodů a integrovaných obvodů Náročnější technologie pro nastavování a kontrolu parametrů optických a optoelektronických systémů

5 Optické komunikační systémy Rozdělen lení podle typu modulace: Systémy s intenzitní modulací optické nosné a přímou p detekcí Systémy koherentní s heterodynní detekcí optické nosné Systémy koherentní s homodynní detekcí optické nosné Rozdělen lení podle funkce: Systémy přenosovp enosové Systémy pro přepojovp epojování okruhů Systémy pro přepojovp epojování paketů Rozdělen lení podle násobnosti n využit ití optických cest: Optické jednokanálov lové systémy Optické vícekanálové ( multiplexní ) přenosovp enosové systémy

6 Systémy přenosovp enosové s intenzitní modulací Blokové schéma optického přenosového systému s intenzitní modulací

7 Koherentní přenosové systémy Blokové schéma optického komunikačního systému lit. [ 1 ]

8 Koherentní přenosové systémy Porovnání citlivosti opticky nekoherentního a koherentního sdělování lit. [ 1 ]

9 Systémy pro přepojovp epojování okruhů Aktivní vlnový router s prostorovým přepínáním typu vlnový vydělovač OADM lit. [ 2 ]

10 Systémy pro přepojovp epojování paketů Aktivní vlnový router s vlnovým směrováním typu OXC lit. [ 3 ]

11 Optické vícekanálové systémy Blokové schéma přenosového systému WDM

12 Optické vícekanálové systémy Optický přenosový systém OTDM - princip

13 OE vysíla lače e pro optické sdělov lování Obecné požadavky na optoelektronický vysilač : Velký vyzařovaný výkon ve vlákn kně s malým podílem šumu RIN určuje uje dosah optického spoje Výborné modulační vlastnosti velká šířka pásma, p lineárn rní modulační charakteristika, malé relaxační oscilace u LD Dobré spektráln lní vlastnosti úzká spektráln lní charakteristika, malá závislost spektra na teplotě a na modulačním m proudu podmiňují dosah optického spoje a počet multiplexovaných kanálů Malý podíl l spontánn nní emise zářenz ení u LD určuje uje šumovou úroveň Vysoká životnost a stabilita vyzařov ování,, dobré vysokofrekvenční přizpůsobení vstupních obvodů modulátoru při p i injekční modulaci a minimáln lní zkreslení při i použit ití vnější šího modulátoru, malá spotřeba energie

14 Typy optoelektronických zářičůz Polovodičové zdroje záření, technologické uspořádání ( LED, F.-P. LD, DFB -LD, VCSEL )

15 Typy optoelektronických zářičůz Převodní charakteristiky LD, SLED, LED lit. [ 1 ]

16 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Vyzařovací diagramy LED lit. [ 4 ]

17 Laserové diody - LD Vyzařování LD blízké pole lit. [ 4 ]

18 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Účinnost vazby : η c = P vlákno / P celk. = ( NA ) 2 Navázání záření do optického vlákna lit. [ 4 ]

19 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) a) Vazba přímá lepidlem s indexovým přizpůsobením b) Vazba s kónickou čočkou na konci vlákna c) Vazba se sférickou čočkou lit. [ 5 ]

20 Laserové diody - LD SM čočka vytvořená tavením SM čočka vytvořená broušením a tavením lit. [ 6 ]

21 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Dynamické vlastnosti: Difuzní kapacita C d a difuzní odpor R d. Součin pak udává efektivní dobu života spontánn nně rekombinujících ch nosičů τ τ d = C d R d Bimolekulárn rní rekombinační mechanismy- na DH dochází procesům, které způsobuj sobují závislost τ b na proudové hustotě a technologickém m provedení podle vztahu: τ b = (ed( ed/ / 2J ) (n 0 + p 0 ) {[ 1+4J/ eb r d (n 0 + p 0 ) 2 ] 1/2-1}

22 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Závislost pro efektivní dobu života nosičů v aktivní vrstvě DH pro slabě dotovanou aktivní vrstvu a vysokou proudovou hustotu J τ = ( qd/ / JB ) 1/2 DH pro silně dotovanou aktivní vrstvu τ = ( B(n 0 + p 0 ) ) -1 τ - efektivní doba života volných nosičů n 0 + p 0 - koncentrace dotace v aktivní oblasti J - proudová hustota d - tloušťka aktivní vrstvy B rekombinační konstanta pro spontánn nní přechody Mezní frekvence LED f m = 1/ 2πτ2

23 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Analogová a digitální modulace LED, princip lit. [ 7 ]

24 Elektroluminiscenční komunikační diody ( LED ) Modulační charakteristika: P r (ω) = [ 1 + ( ω τ ) ] 1/ 1/ 2 Měřené a sim ulované am plitudové m o dulační chrakteristiky ko m unikačních L E D pro d = 0,2 µm, 0,7 µ m a pro ss. proudo vo u husto tu J = 1,5 a 2,25 ka / cm 2

25 Dynamické vlastnosti Laserové diody - LD Numerickým výpočtem z rychlostních rovnic dostáváme časovou odezvu pro velké změny signálu Linearizací rychlostních rovnic dostáváme odezvu LD na buzení malým signálem dn/ dt = I/ ev a - g. ( N N g ). S - N ( 1/ τ ns + B. N ) ds/ dt = g. ( N N g ). S - S/ τ p + α N ( 1/ τ ns + B. N ) kde N je středn ední koncentrace elektronů,, S je středn ední koncentrace fotonů,, I je čerpající proud, g je zisková konstanta, N g je prahová koncentrace, τ ns je doba života elektronů, τ p je doba života fotonů,, B je konstanta spontánn nních bimolekulárn rních rekombinací, α je konstanta spontánn nního příspp spěvku do laserového vidu

26 Laserové diody - LD P r ( ω) = ω 2 ο / ( ω 2 o ω 2 ) + j β ω kde ω ο2 = ( Ι ο I th )/τ sp τ ph I th a β = Ι ο /τ sp I th E le k t r ic k ý n á h r a d n í o b v o d L D p r o m a lé z mě n y s ig n á lu

27 Laserové diody - LD Analogová a digitální modulace LD, princip lit.[ 7 ]

28 Laserové diody - LD Závislost amplitudové modulační charakteristiky LD na proudovém buzení lit.[4]

29 Laserové diody - LD Impulzní časová odezva LD

30 Dynamika spekter OE zdrojů záření při modulaci lit. [ 1 ] LED,multividová LD ( MV LD ), jednovidová LD (JV LD), jednofrekvenční LD (JF LD)

31 OE vysilač s injekčním m modulátorem Výhody injekčních modulátor torů LD : Obvodová a technologická jednoduchost provedení Dobrá elektrická linearita modulátor torů,, která umožň žňuje realizovat analogové modulátory s vysokým odstupem intermodulačních produktů Dobré elektrické vysokofrekvenční přizpůsobení na vstupu modulátoru

32 OE vysilač s injekčním m modulátorem Nevýhody injekčních modulátor torů LD: Modulační šířka pásmap je závislz vislá na transportních vlastnostech fotonů a elektronů modulátoru LD a je omezena tzv. foton-elektronovou rezonanací Optické spektrum MV LD a JV LD je rovněž modulováno v závislosti na změnách injekčního proudu, vzniká tzv. chirpping Poměr r signál/ l/šum je zhoršov ován šumem modulačního tranzistoru

33 Injekční intenzitní modulátory Typy injekčních modulátorů pro OE vysílače

34 Injekční intenzitní modulátory Typy injekčních modulátor torů LD, LED s tranzistorem: Sériový modulátor sériové spojení modulačního tranzistoru s OE prvkem užití pro injekční modulaci LD, SLD a LED šířky pásma p do 1 GHz Bočníkový modulátor paralelní spojení modulačního tranzistoru a OE prvku vhodně kompenzuje horší dynamické parametry LED využit ití pro modulaci LED aža do 300 MHz Emitorově vázaný modulátor sériové spojení OE prvku s dvojicí emitorově vázaných tranzistorů užití pro injekční modulaci LD využit ití v planárn rních MMIO pro modulace nad 1 GHz

35 Injekční intenzitní modulátory OEV integrovaný logický obvod na GaAs vyrobený společností Lockheed Research Laboratory lit. [8]

36 Injekční intenzitní modulátory a) Monolitický integrovaný gigabitový OE vysílač lit. [ 8 ] b) Elektrické schéma zapojení

37 OE vysilač s vnější ším m modulátorem Princip OE vysílače s vnějším modulátorem

38 OE vysilač s vnější ším m modulátorem Výhody OE vysíla lače: Modulační šířka pásma p není závislá na transportních vlastnostech elektronů a fotonů v LD. Neuplatní se foton-elektronov elektronová rezonance Neuplatní se rovněž parazitní indukčnosti nosti a kapacity LD a modulátoru Nedochází k parazitní modulaci optického spektra LD tzv. chirppingu

39 OE vysilač s vnější ším m modulátorem Nevýhody OE vysíla lače: Je třeba t kompenzovat nelineárn rní převodní charakteristiku EO modulátoru teplotně kompenzovaným ekvalizačním obvodem Na EO modulátoru dochází k optickým ztrátám, které je třeba t kompenzovat vyšší šším m výkonem LD Vysoká cena vyplývající ze složitých a teplotně stabilizovaných obvodů OE vysíla lače

40 OE vysilač s vnější ším m modulátorem Blokové schéma OE vysílače CM 7130 společnosti DSC lit. [ 9 ]

41 Stabilizace optického výkonu OE vysíla lače Typy obvodů pro stabilizaci zářivz ivého výkonu: Integrující zpětn tná vazba stabilizující středn ední zářivý výkon Integrující zpětn tná vazba stabilizující středn ední zářivý výkon a středn ední extinkci modulace Integrující zpětn tná vazba stabilizující středn ední zářivý výkon a maximáln lní zářivý výkon modulace

42 Laserové diody - LD Závislost W A charakteristiky LD na teplotě lit. [4]

43 Stabilizace optického výkonu OE vysíla lače Princip zapojení optické zpětn tná vazba stabilizující středn ední zářivý výkon

44 Stabilizace optického výkonu OE vysíla lače Integrující zpětn tná vazba stabilizující středn ední zářivý výkon a středn ední extinkci modulace

45 Stabilizace optického výkonu OE vysíla lače Integrující zpětn tná vazba stabilizující středn ední zářivý výkon a maximáln lní zářivý výkon modulace

46 Příklady zapojení OE vysíla lače Zapojení HIO OE vysílače s emitorově vázaným FET modulátorem a optickou stabilizací na střední výkon lit. [ 10 ]

47 OE přijp ijímače e pro optické sdělov lování Obecné požadavky na OE přijp ijímač Vysoká citlivost vyjádřen ená poměrem V/W do definované zátěže Velký odstup signál/ l/šum OE přijp ijímače Vhodnou vlnovou délku d vzhledem k přijp ijímanému mu zářenz ení Dobrou dynamiku vzhledem k typu požadovan adované modulace Linearitu vzhledem k rozsahu intenzity optického zářenz ení na vstupu OE přijp ijímače P s / P š = ( msp ) / [ 2q( I d + sp ) + 4kTF / R ] f

48 OE přijp ijímače e pro optické sdělov lování Porovnání odstupu signál/ šum pro různé typy OEP při BER 10-9

49 Komunikační fotodiody - PIN FD- PIN s homopřechodem a heteropřechodem lit. [ 5 ]

50 Komunikační APD fotodiody FD lavinové Si, Ge a GaAlAs pro pásma 0,8 až 1,6 µm

51 Komunikační fotodiody - PIN Dynamické vlastnosti Časová konstanta τ RC = (R d +R z ) (C( s + C z ) kde τ RC časová konstanta, R d je dynamický odpor, C s je kapacita prostorového náboje, n R z a C z je odpor a kapacita zátěžz ěže Driftové časy nosičů ve vyčerpan erpané oblasti τ d = L/ v s kde L = x 1 x 2 tloušťka intrinsické oblasti PIN, v s je saturační rychlost Celková časová konstanta a šířka pásmap τ C = (τ( 2 RC + τ d2 ) 1/2 z toho f m = 1/ 2π 2 τ C

52 Komunikační fotodiody - PIN Závislost mezní frekvence PIN FD pro vysoké rychlosti komunikace na tloušťce intrinsické vrstvy. Parametrem je průměr aktivní plochy fotodetektoru lit. [ 8 ]

53 OE přijp ijímače e základnz kladní zapojení a) Nízkoimpedanční typ, b) Transimpedanční typ, c) Vysokoimpedanční typ s ekvalizérem

54 OE přijp ijímače e pro optické sdělov lování Kaskodový SS-SB-SE transimpedanční OE přijímač pro modulační pásma do 150 MHz lit. [ 8 ]

55 OE přijp ijímače e pro optické sdělov lování Hybridní transimpedanční OE přijímač s šířkou pásma 700 MHz lit. [ 10 ]

56 OE přijp ijímače e pro optické sdělov lování Monolitický obvod PIN FET pro gigahertzové pásmo lit. [ 8 ]

57 OE přijp ijímače e pro optické sdělov lování Monolitický DHBT InP/ InGaAs OE přijímač pro šířku pásma do 40 GHz lit. [10]

58 Návrh optické trasy Závislost optického výkonu OE vysílače ve světlovodu a citlivosti OE přijímače na přenosové rychlosti digitálního spoje lit. [1]

59 Návrh optické trasy Parametry optického spoje: Šum BER (Bit Error Rate) ) pro digitáln lní přenos SNR (Signal( to Noise Ratio) ) pro analogový přenosp Útlum α (db, ( dbm) Disperze σ (ns ( ns) ) rozší šíření středn ední šířky přenp enášených impulsů Šířka pásma p B (MHz, GHz) Modulační rychlost v m (Baud) rychlost přenosu p informace kde v m odpovídá B Přenosová rychlost v p (bit/s) rychlost kódovk dování použit ité k přenosu, kde v p odpovídá Bn v p = v m lg 2 n kde n je počet stavů modulace

60 Návrh Návrh optické trasy Vstupní údaje Vzdálenost v km je 5 km s MM vláknem GI Požadovan adovaná modulační rychlost 100 MBaud Optický výkon vysilače e LD 10mW t.j. 10dBm, disperze σ LD = 1ns Optický přijp ijímač 200 Mbaud má citlivost 48 dbm pro APD na Si. Lze odečíst z grafu viz lit. [ 10 ] Výpočet σ vlákna = ( (1/5v m,pren ) 2 σ 2 LD (1/5v m,det ) 2 ) ½ σ vlákna = (2) 1/2 ns z toho šířka pásma p optického vlákna B vl = 1/5 σ vlákna vl = 141 MHz B vl

61 Činitel jakosti vlákna: Návrh optické trasy B vlčj = B vl L 1-γ B vlčj = 211 MHz.km Lze použít t GI 62,5/125 vlákno, útlum α vl λ=850 nm a B vlčj = 600 MHz.km, Σ α spojek =1 db, Σ α děli ličů = 6 db Útlum trasy: kna = 3,5dB/km pro vlákna α C = Σ α spojek + Σ α děli ličů + α vlákn L α C = ,5 = 24,5 db Výkonová bilance P rezerva = P zisk P ztráty ty = 10 dbm ( - 48 dbm) 24,5 dbm = 33,5 dbm

62 Literatura [ 1 ] A.Kuchar, M.Khodl:Optické systémy pro přenos informace, KH servis, Praha, 1995 [ 2 ] IEEE Communications Magazine, vol.1, 1998 [ 3 ] IEE Electronics Communication Journal, vol.5, 2000 [ 4 ] H.Kressel Kressel: Semiconductor Devices for Optical Communication, Springer Verlag, Berlin, 1982 [ 5 ] J.Gowar : Optical Communication Systems, Prentice-Hall International,, London, 1984 [ 6 ] L.B.Jeunhomme : Single Mode Fiber Optics,, Marcel Dekker, inc., NewYork,, 1990 [ 7 ] K.Novotný: Optická komunikační technika, ČVUT, Praha, 1998 [ 8 ] Optical Fiber Telecommunications II, Academic Press,Inc., London, 1988 [ 9 ] Technická dokumentace DSC, Danmark, 1994 [ 10 ] Technická zpráva Tesla VÚST, Praha, 1989 [ 11 ] IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.49, N 10, 2001,p.1921 Děkuji za pozornost