Введение

Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Телекоммуникационных Систем

 

 

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ

Методические указания к расчетно-графическим работам

 для студентов специальности

5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: А.К.Сакабаева, О.А. Абрамкина. Оптические системы связи в телекоммуникациях. Методические указания к расчетно-графическим работам для студентов специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации – Алматы: АУЭС, 2013. – 15 с.

 

Приведены задачи и практические упражнения, необходимые при освоении дисциплины «Оптические системы связи в телекоммуникациях». Изложены основные подходы и методы для решения задач, возникающих при использовании оптических систем. 

Табл. – 11, библиогр. – 8 назв.

 

Рецензент:  доцент Куликов А.А.

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2012 г.

 

Ó «НАО» Алматинский университет энергетики и связи, 2013 г.

 

Введение

 

Целью курса является изучение основных принципов построения оптических систем связи различных уровней иерархии.  Исследуются требования к качеству передачи сигналов оптической системы связи (ОСС), приводятся основные параметры существующих ОСС.

  Дисциплина «Оптические системы связи в телекоммуникациях» изучается студентами на третьем курсе и сдается как экзамен комплексного вида.

  В методических указаниях приводятся необходимые справочные данные для расчета.

  Алматинский университет энергетики и связи просит студентов бережно относиться к методической литературе, выпускаемой университетом.

 

1       Задания и методические указания к расчетно-графической работе

 

Выполнение (решений) каждой темы следует начинать с изучения относящегося к теме задания теоретического материала. В этом поможет учебная литература, приведенная в списке литературы методического указания. Выполнять задания четко, представляя ход решений и уметь обосновывать.

Проверенная работа возвращается студентам, в дальнейшем она должна быть защищена в назначенное преподавателем время. Для успешной защиты необходимо: внести исправления по замечаниям преподавателя, уметь полностью объяснить, обосновать правильность и знать смысл входящих в них материалов.

Задания на расчетно-графическую работу (РГР) составлены в 100 вариантах. Каждый студент должен выполнить РГР по варианту, номер которого определяется двумя последними цифрами номера студенческого билета (цифрой десятков и цифрой единиц). Например, если номер студенческого билета 970037, то студенту следует выполнить работу по 37 варианту.

В работах не требуется вывода формул, их следует брать готовыми из методических указаний или основных учебников. Если формула, график, схема и прочее взяты из литературы, необходимо указать ее наименование и номер страницы, и номер формулы (если он имеется).

В конце расчетно-графической работы необходимо перечислить использованную литературу.

При определении зависимости одной величины от другой, рекомендуется решить задачу в общем виде, подставить значения постоянных величин и определить значение неизменной части, а затем уже производить вычисления при различных значениях переменной величины. Результаты вычислений в этом случае должны быть сведены в таблицу.

 

1.1 Требования по оформлению расчетно-графической работы

 

1.1.1      Студенты выполняют расчетно-графическую работу в виде подробного реферата объемом А4, шрифт 14, одинарный интервал Times New Roman. Работа должна аккуратно оформлена, текст разборчиво написан (компьютерный набор) на одной стороне листа. Другая сторона листа предназначена для внесения студентом исправлений и дополнений результатом проверки работы.

1.1.2      Титульный лист РГР оформляется в соответствии с правилами студенческих работ. Он должен содержать название университета, факультета и кафедры, дисциплины по которой выполнятся работа, название РГР, фамилию с инициалами, номером группы и зачетной книжки студента, специальность, фамилию и инициалы преподавателя принимающего защиту.

1.1.3      В расчетно-графической работе необходимо освоить подробно данную тему. Допускается углубление изучения отдельной подтемой по согласованию с преподавателем. Название РГР согласуется с преподавателем, и возможно выполнение РГР по дополнительной тематике.

1.1.4      В начале каждого задания на РГР приводятся условия заданий и данные для своего варианта. Страницы текста, рисунки, таблицы и формулы нумеруются. Расчетные формулы записываются в общем виде с расшифровкой буквенных обозначений с указанием размерностей.

1.1.5       При выполнении расчетно-графических работ рекомендуется пользоваться литературой и методическими указаниями. Если при выполнении РГР встретятся трудности, следует обратиться за консультацией к преподавателям данного предмета.

1.1.6       В тексте РГР должны быть краткие пояснения решения некоторых вопросов, а также ссылки на использованную литературу.

1.1.7       Расчетно-графические работы, выполненные без соблюдения перечисленных требований, возвращаются на доработку.

  

 Расчетно-графическая работа №1

 

2.1 Задание 1

 

Привести описание структуры заданного волокна. Определить максимальное затухание, дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим (погонным) затуханием α (дБ/км) на длине волны излучения передатчика l0 (мкм), ширине спектра излучения ∆l0,5 на уровне половины максимальной мощности излучения. Данные для решения приведены в таблицах 1.1 и 1.2.

 

Таблица 2.1 – Исходные данные

Параметр

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Длина секции L, км

112

104

83

124

62

51

128

185

140

200

 

Таблица 2.2 – Исходные данные

Параметр

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Тип волокна

SF

8/125

DSF

8/125

SMF- LS

SF

8/125

DSF

8/125

SMF- LS

SF

8/125

SMF- LS

DSF

8/125

SF8/125

Затухание  α , дБ/км

0,25

0,24

0,22

0,21

0,25

0,24

0,23

0,20

0,30

0,21


продолжение Таблицы 2.2

Параметр

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Длина волны lо,мкм

1,55

1,31

0,85

1,62

0,85

1,3

1,62

0,85

1,3

1,55

Спектр ∆l0,5, нм

0,05

0,02

0,2

0,1

0,15

0,4

0,15

0,3

0,18

0,2

Хроматическая дисперсия D, пс / (нм∙ км)

2,1

3,5

-3,6

17,5

19,6

3,3

4,2

-3,1

0,8

2,2

 

SF, Standard Fiber – стандартное одномодовое ступенчатое волокно;

DSF, Dispersion-Shifted (single mode) Fiber – волокно одномодовое со смещенной дисперсией;

SMF-LS, Single Mode Fiber-LS – одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Corning) [1];

8/125 – диаметры сердцевины/оболочки волокна в мкм.

 

2.2 Задание 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 ∆l 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. Дать описание конструкции полоскового лазера FP. Изобразить его 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.

 

Таблица 2.3 – Параметры лазера

Параметр лазера

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

LFP, мкм

180

220

250

380

280

200

300

320

240

360

LDFB, мкм

200

180

220

240

300

320

360

380

400

450

 

Таблица 2.4 – Параметры лазера FP

Параметр лазера FP

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

∆ l , нм

30

40

50

60

70

35

45

55

65

75

n

3,5

3,9

3,6

3,8

3,7

3,4

3,3

3,6

3,7

3,55

l0, мкм

0,4

0,42

0,44

0,46

0,48

0,5

0,4

0,45

0,47

0,49

R

0,4

0,3

0,28

0,33

0,42

0,36

0,39

0,25

0,34

0,37

Таблица 2.5 – Параметры лазера DBF

Параметр лазера DBF

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Порядок решетки m

3

4

2

1

5

6

7

8

2

1

Шаг решетки

d, мкм

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,08

Показатель преломления

n

3,5

3,57

3,6

3,59

3,55

3,65

3,68

3,49

3,53

3,63

 

2.3  Методические указания к расчетно-графической работе №1

 

2.3.1     Задание 1.

Для решения необходимо внимательно изучить характеристики кварцевых оптических волокон [1], [2].

Рекомендуется следующий порядок выполнения задания 1:

-         определить максимальное затухание секции длиной L;

-         определить совокупную дисперсию секции с учетом ширины спектра излучения;

-         определить полосу пропускания оптической линии;

-         определить максимальную скорость передачи двоичных импульсов через оптическую линию.

Результирующее максимальное затухание секции находится из соотношения:

a М = a ∙ L + a С ∙ NС, [дБ],                        (1)

где    aС – потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля (a С = 0,05 дБ);

NС – число стыков, определяемое: NС = L/lC–1 (целое число);

lC = 4 км (для всех вариантов) строительная длина кабеля.

Результирующая совокупная дисперсия секции находится из соотношения [4], [9]:

,         [с].                               (2)

Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения [4], [9]:

, [Гц].                                   (3)

Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от ΔFОВ и их формы. Для всех вариантов считать форму импульса гауссовской [4]:

ВГ = 1,34 ΔFОВ, [бит/с].                             (4)

2.3.2     Задание 2.

Частота моды определяется из соотношения [4]:

 

,                                    (5)             

где    m – номер моды;

L – длина резонатора;

n – показатель преломления.

 

Расстояние между модами определяется из соотношения:

 

                                                        .                                   (6)   

 

Добротность резонатора на центральной моде l0 определяется из соотношения:

 

.                                   (7)

 

Число мод в интервале ∆l определяется:

 

.                                               (8)

 

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

 

,                                   (9)

 

    ,                                   (10)

 

  .                         (11)

 

Рисунок 1 – Модовый спектр лазера FP

 

3 Расчетно-графическая работа №2

 

3.1  Задание 1

 

По данным таблицы 3.1 построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него. Для заданных (по варианту) тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов (см.таблицу 3.2) определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h . По построенной характеристике указать вид источника.

 

Таблица 3.1 – Исходные данные

I, мА

0

5

10

15

20

22

24

26

28

30

Р1, мкВт

0

10

25

35

55

85

150

220

280

350

 

Таблица 3.2 – Исходные данные

Параметр

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Ток смещения I, мА

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Амплитуда тока модуляции Im, мА

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

 

3.2  Задание 2

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 3.3. Используя график и данные таблиц 3.4-3.5, определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора [1],[4].

Таблица 3.3 – Исходные данные

Чувствительность, А/Вт

0,3

0,45

0,55

0,60

0,65

0,67

0,7

0,73

0,65

0,1

Длина волны l,мкм

0,85

1,0

1,1

1,2

1,31

1,42

1,55

1,62

1,7

1,75

 

Таблица 3.4 – Исходные данные

Мощность излучения

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рu, мкВт

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

 

Таблица 3.5 – Исходные данные

Длина волны

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

l , нм

1750

1620

1550

1430

1310

1290

1150

980

910

850

 

3.3   Методические указания к расчетно-графической работе №2

 

3.3.1     Задание 1.

Модуляция в оптических системах с одноканальной и многоволновой передачей должна удовлетворять ряду требований:

-       при модуляции должен создаваться компактный спектр сигнала, спектральная эффективность должна приближаться к величине 0.4-0.5 бит/с/Гц (например, полоса 100ГГц при скорости 40Гбит/с);

-       модулированный сигнал должен быть максимально устойчив к нелинейным эффектам;

-       модулированный сигнал должен быть устойчивым к дисперсионным и нелинейным искажениям в волоконно-оптической линии и устройствах компенсации дисперсии и оптического усиления;

-       конфигурация оптического передатчика и приемника должны быть достаточно простыми.

В технике оптических систем передачи этим требованиям соответствуют в определенной степени внешняя и прямая модуляция электромагнитных излучений оптического диапазона.

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду.

Прямая модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения. Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение (см.рисунок 2), которое позволяет получить линейный процесс.

Для определения глубины модуляции использовать соотношение:

 

.                              (12)

 

Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением, как показано на рисунке 2. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции могут искажаться. Поэтому при модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина η до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования может применяться степенная аппроксимация.

 

 

Рисунок 2 – Прямая модуляция со смещением

 

3.3.2     Задание 2.

По построенному графику зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения учесть соотношения:

 

,                           (13)

 

,                                              (14)

 

 ,                                         (15)

 

где ЕФ – энергия фотона;

                 е – заряд электрона;

                 h ВН – внутренняя квантовая эффективность фотодиода;

                 h – постоянная Планка,

                 с – скорость света.

Величина фототока при заданных λ и ηен определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

 

.                              (16)

 

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества, может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны называемой длинноволновой границей чувствительности.

Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением и определяется по графику:

 

,                                     (17)

 

где Еg – ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого сделан фотодиод.

Для определения ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и материала для изготовления прибора воспользуемся соотношением (17) и значениями таблицы 3.6:

 

.                                               (18)

 

Таблица 3.6 – Значение ширина запрещенной зоны для заданного материала

Тип соединения

Наименование материала

Ширина запрещенной зоны, Еg, эВ

при 300 К

при 0 К

Элемент

С (алмаз)

5,47

5,51

Ge

0,661

0,89

Si

1,12

1,16

α-Sn

 

~0,08

IV—IV

α-SiC

3

3,1

III—V

AISb

1,63

1,75

BP

6

 

GaN

3,39

 

GaSb

0,726

0,80

GaAs

1,424

1,52

GaP

2,27

2,40

InSb

0,17

0,26

InAs

0,354

0,46

InP

1,34

1,34

II—VI

CdS

2,42

2,56

CdSe

1,7

1,85

ZnO

3,36

 

ZnS

3,6

3,7

IV—VI

PbS

0,41

0,34

PbTe

0,32

0,24

 

Список литературы

 

1        Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. – 267 с.

2        Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: SYRUS SYSTEMS, 1999. – 671 с.

3        Гауэр Дж. Оптические системы передачи. Пер с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 501 с.

4        Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (АТМ, PDH, SDH, SONET и WDM). – М.: Радио и связь, 2000. – 468 с.

5        Волоконно- оптические системы передачи и кабели. Справочник под ред. Гроднева И.И., Мурадяна Р.М. и др. – М.: Радио и связь, 1993. – 264 с.

6        Фокин В.Г. Волоконно-оптические системы передачи с подвесными кабелями на воздушных линиях электропередачи и контактной сети железных дорог. – Новосибирск, СибГУТИ, 2000. – 94 с.

7        Фокин В.Г. Аппаратура и сети доступа. – Новосибирск, СибГУТИ, 2000. – 114 с.

8        Фокин В.Г. Аппаратура систем синхронной цифровой иерархии. Издание 2-е, исправленное и дополненное. – Новосибирск, СибГУТИ, 2001. – 60 с.

 

Содержание

 

Введение  3

1 Задания и методические указания к расчетно-графической работе  4

1.1 Требования по оформлению расчетно-графической работы   4

2 Расчетно-графическая работа №1  5

2.1 Задание 1  5

2.2 Задание 2  6

2.3 Методические указания к расчетно-графической работе №1  7

2.3.1 Задание 1  7

2.3.2 Задание 2  8

3 Расчетно-графическая работа №2  9

3.1 Задание 1  9

3.2 Задание 2  10

3.3 Методические указания к расчетно-графической работе №2  10

3.3.1 Задание 1  10

3.3.2 Задание 2  12

Список литературы   14

Св. план 2012., поз.159