Приемники цифровых волоконно-оптических систем связи.

В информационных системах оптического диапазона применяется временная, пространственная и полярная модуляция. В оптоволоконных системах связи преобладающее применение получила модуляция по интенсивности. Все виды импульсной модуляции относятся к модуляции по интенсивности. Модуляция по интенсивности легко реализуется, отличается высоким быстродействием и линейностью.

Так же, как и в радиодиапазоне, в оптическом диапазоне

существует два основных метода приема сигналов: когерентный и некогерентный. Но, в отличие от радиодиапазона, предельные чувствительности при когерентном и некогерентном методах приема оказываются соизмеримыми.

В радиодиапазоне тепловой шум значительно больше квантового. Это выражается неравенством

hf « kT, (34.1)

где: h – постоянная Планка (h = 6,622 10 Дж с), f – частота принимаемого оптического излучения (hf – энергия кванта принимаемого излучения), kT – спектральная плотность мощности шума, постоянная Больцмана k ( k =1,38 10 Дж/град,

Т –абсолютная температура).

С ростом частоты проявляются корпускулярные свойства излучения, и при hf » kT шум определяется только квантовыми эффектами и называется квантовым шумом. При комнатной температуре квантовый шум становится преобладающим на частотах

f > 6 ТГц, или при длинах волн λ < 50мкм.

В условиях действия только квантового шума теоретический предел чувствительности при когерентном и некогерентном методах приема оказываются соизмеримыми. Теоретический предел чувствительности приемников оптического излучения равен в этом случае:

P =n*(h*f* F/ ) (34.2)

где: n =1 и 2 для гетеродинных приемников и приемников прямого детектирования, соответственно, ∆F- полоса принимаемых частот, η – квантовая эффективность детектора излучений (обычно η близка к единице).

Наличие внешних и внутренних помех приводит к снижению чувствительности, по сравнению с теоретически достижимой. К таким помехам относятся помехи фонового излучения, собственные шумы детектора и другие.

КОУ, Л.34, стр.5

Структурная схема приемника прямого детектирования приведена на рис. 34.3а, а гетеродинного на рис. 34.3б.

а)

б)

Рис. 34.3. Структурные схемы приемников оптического диапазона: некогерентный приемник прямого детектирования (а), гетеродинный когерентный приемник(б): ОГ-оптический гетеродин

В приемнике прямого детектирования (рис.34.3а) оптическое излучение проходит через оптический полосовой фильтр (ОПФ), предназначенный для ослабления фоновых излучений и концентрируется на поверхности детектора излучения(ДИ). ДИ преобразует оптический сигнал в электрический. Электрический сигнал усиливается и обрабатывается электронной частью приемника (ЭЧП) и далее поступает к потребителю информации (ПИ). Для увеличения чувствительности приемника прямого детектирования перед детектором может быть установлен оптический квантовый усилитель (ОКУ).

При гетеродинном приеме когерентного излучения (рис.34.3б), принимаемый сигнал с частотой f и опорное колебание f с помощью полупрозрачной пластины ПП направляют на поверхность детектора излучения. В результате интерференции на выходе детектора возникает электрический сигнал с частотой f = f - f , лежащий в диапазоне радиочастот. Этот сигнал далее усиливается и обрабатывается электронной частью приемника и поступает к потребителю информации.

КОУ, Л.34, стр.6

Для средней области ИК-диапазона является приемное устройство, на входе которого используется параметрический преобразователь частоты (ППЧ). Структурная схема этого приемника приведена на рис. 34.4. ППЧ выполняется на нелинейных кристаллах, в которых за счет параметрического взаимодействия оптических колебаний сигнала и накачки происходит перенос информации на суммарную частоту

f + f , лежащую обычно в видимом поддиапазоне, где имеются эффективные детекторы излучения. Небольшие потери преобразования и малые шумы преобразования позволяют реализовать высокую чувствительность приемников с ППЧ.

Рис. 34.4. Оптический приемник с параметрическим преобразователем

Непременным условием, обеспечивающим высокую чувствительность приемников оптической и волоконно-оптической связи, является хорошее сопряжение фотоприемника с широкополосным усилителем. При использовании в качестве приемника оптического излучения фотодиода ФД, простейшим решением является применение каскада на полевом транзисторе

(рис. 34.5).

Рис. 34.5. Фотоприемное устройство с фотодиодом и каскадом на ПТ

Большое входное сопротивление каскада на ПТ обеспечивает его сопряжение с фотодиодом.

КОУ, Л.34, стр.7

Итоги занятия: