1.1. Характеристика диапазона электромагнитных волн для оптической связи

1.2. Характеристика физических сред для передачи оптических сигналов

1.3. Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов

1.4. Структурная схема оптической системы передачи

1.1. Характеристика диапазона электромагнитных волн для оптической связи

Известный спектр электромагнитных волн простирается от постоянного электрического тока и низкочастотных колебаний до рентгеновских и гамма-излучений. На рисунке 1.1 представлены все участки этого спектра и определено местоположение диапазона, который называется оптическим.

В оптическом диапазоне видимый свет занимает участок спектра от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный) и граничит со стороны более коротких волн с ультрафиолетовым излучением, а со стороны более длинных волн – с инфракрасным излучением. Наибольшее применение для оптической связи имеет диапазон, который называют ближней инфракрасной зоной (0.8 ¸ 1.675 мкм). Его использование обусловлено двумя факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещенной зоны ряда полупроводников, т.е. кванты такого излучения могут порождаться и поглощаться с ионизацией лишь валентных электронов; этот диапазон отличается наибольшей прозрачностью в таких средах распространения волн как стекловолокно и воздушная атмосфера. Следовательно, существует возможность изготовления эффективных полупроводниковых приборов и согласование их со средами передачи.

Волнам оптического излучения присущи не только волновые явления (дифракция, интерференция), но и квантовые или корпускулярные. Хорошо известна связь параметров световой волны с энергией кванта (фотона):

(1.1)

где h – постоянная Планка 4,1х10^{– 5} эВ или 6,626х10^{– 34} Джс, f – линейная частота колебаний. Учитывая связь длины световой волны и частоты,

(1.2)

можно определить энергию фотона:

(1.3)

где с – скорость света в вакууме, округляемая до величины 3х10 ⁸ м/с.

Рисунок 1.1. Спектр электромагнитных волн

Произведение h×c имеет постоянное значение, например, часто употребляемое 1.24эВ×мкм.

Физика волновых оптических процессов включает изучение интерференции, дифракции и поляризации, использование законов геометрической оптики, электро- и магнитооптических эффектов. Квантово-механическая природа оптического излучения наиболее отчетливо проявляется в тепловой генерации и различных видах люминесценции, в фотоэффекте, процессах взаимодействия излучения с веществом, явлениях нелинейной оптики [3, 61].

Ниже приведен пример оценки полосы частот оптического диапазона 0.8 ¸ 1.6 мкм.

Граничные частоты диапазона могут быть вычислены следующим образом:

f₁ = c / l ₁, f₂ = c / l ₂ ,

где с= 3 х 10 ⁸ м/с, l ₁ = 0,8 х 10 ^{– 6} м, l ₂ = 1,6 х 10 ^{– 6} м.

Полоса пропускания указанного диапазона составит

D f = f₁ – f₂ = 3.75 х 10¹⁴ – 1,875 х 10¹⁴ Гц,

что соответствует 187,5 ТГц.

1.2. Характеристика физических сред для передачи оптических сигналов

Распространение оптических электромагнитных волн может происходить в различных физических средах: в атмосфере, в волоконных световодах, выполненных из различных материалов (стекла, полупроводников, пластмасс), в волноводах интегральных микросхем, в ближнем и дальнем космосе.

Для реализации систем передачи наибольший интерес представляют такие физические среды как стеклянные и полупроводниковые волокна, волноводы микросхем и атмосфера Земли. К важнейшим характеристикам сред распространения оптических излучений необходимо отнести следующие показатели и зависимости.

Показатель преломления среды, смысл которого поясняет соотношение (1.4):

(1.4)

где e и m - показатели диэлектрической и магнитной проницаемости среды, значение n для любого вещества всегда больше 1, т.к. скорость распространения оптических волн v всегда меньше в среде по сравнению с вакуумом с (1.5):

(1.5)

Зависимость показателя преломления от длины волны излучения характеризует дисперсию фазовых скоростей распространения света в веществе (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2. Зависимость n (l )

Нелинейная зависимость показателя преломления от величины мощности оптического излучения (квадратичная, кубичная)

(1.6)

обусловлена свойствами некоторых сред при высокой плотности мощности светового потока (10⁷...10⁹ Вт/см²). Такая плотность мощности обычно создается лазерными источниками когерентного излучения.

Поглощение оптического излучения в материалах вызвано квантовыми переходами между различными молекулярными уровнями вещества. Например, в стекле (SiO₂) пик поглощения приходится на длину волны 9,2 мкм, однако его "хвост" тянется до диапазона 0,8 ¸ 1,6 мкм. Кроме того, в стеклянных волокнах большую роль играют примеси гидроксильных ионов ОН` переходных металлов Fe, Ni, Cr, V, Cu, которые приводят к большой неравномерности характеристики затухания (рисунок 1.3)

Рассеяние оптического излучения может происходить на малых неоднородностях материалов, габариты которых сопоставимы с длиной оптической волны, в том числе на малых изгибах волноводов.

Характеристика затухания стекловолокна из-за поглощения и рассеяния имеет характер "окон прозрачности" с ограниченными диапазонами частот, которые рекомендованы для систем передачи. При этом параметры затухания нормированы для применения в системах передачи (рисунок 1.4).

Рисунок 1.3. Спектральные характеристики затухания стеклянного волокна

Рисунок 1.4. Нормированная характеристика затухания одномодового стекловолокна согласно рекомендации МСЭ-Т G.957

Устранение "водяного" пика

Рисунок 1.5. Характеристики улучшенного стекловолокна G.652

Для волоконных световодов с улучшенными характеристиками, приведенными на рисунке 1.5 (без "водяных пиков" и примесного поглощения), определены оптические диапазоны волн передачи (таблица 1.1)

Таблица 1.1. Оптические диапазоны улучшенного стекловолокна G.652

О – диапазон	1260-1360 нм	Основной
E – диапазон	1360-1460 нм	Расширенный
S – диапазон	1460-1530 нм	Коротковолновый
C – диапазон	1530-1565 нм	Стандартный
L – диапазон	1565-1625 нм	Длинноволновый
U – диапазон	1625-1675 нм	Сверхдлинный

Распространение оптического излучения в атмосфере сопровождается двумя существенными для оптической линии связи процессами: флуктуациями принимаемого сигнала из-за рефракции излучения на турбулентных неоднородностях воздуха и аэрозольными рассеянием и поглощением на частицах дождя, тумана, снега, промышленных выбросах, пыли. Кроме того, поглощение излучения в атмосфере зависит от длины волны, и эта зависимость имеет характер окон прозрачности (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6. Поглощение оптического излучения атмосферой

Поглощение света атмосферой зависит и от содержания в ней водяных паров и углекислого газа вдоль пути распространения световой волны, концентрация которых в свою очередь зависит от влажности воздуха и высоты [8].

Конструкции оптических волноводов и оптические характеристики материалов волноводов определяют целый ряд параметров сред передачи оптических сигналов: апертуру ввода излучений в волновод; модовый спектр волновода; затухание; дисперсионные искажения оптических импульсов, возникающие из-за различной скорости распространения спектральных компонентов в волноводе (рисунок 1.7), поляризационную чувствительность[6].

Величина дисперсии оценивается квадратичной разностью (1.7):

D(λ)= (1.7)

Рисунок 1.7. Дисперсия оптического импульса

Причинами дисперсии в оптоволокне принято считать [7]:

• различие скорости распространения световых мод, образующих межмодовую дисперсию (t _{м м});

• направляющие свойства оптического волновода, образующие волноводную дисперсию (t _в);

• свойства материала оптоволокна, создающие материальную дисперсию (t _м);

• различие скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих моды, обусловленных двойным лучепреломлением волокна, образующее поляризационную модовую дисперсию (t _{п м}).

Дисперсия имеет размерность [с/км].

Волноводная и материальная дисперсия образуют хроматическую, зависящую от ширины спектра моды излучения. Поэтому хроматическая дисперсия имеет размерность [с/нм×км], где нм – единица ширины спектра излучения.

Поляризационная модовая дисперсия имеет размерность [с/Ö км].

Совокупная дисперсия оптического волокна оценивается соотношением (1.8):

D²(λ)= (1.8)

В многомодовых волокнах преимущественно учитывается t _{м м}.

В одномодовых волокнах учитывается сумма t _м+ t _в и при высоких скоростях передачи данных (около 10 Гбит/с и выше) - t _{п м}. Однако сумма t _м+ t _вможет быть близкой к нулю, что обусловлено различным характером дисперсии, которая , в свою очередь, определяется конструкцией волновода.

Дисперсия оптических импульсов в среде распространения может привести к межсимвольным помехам в сигналах и искажению передаваемых сообщений, поэтому дисперсия в волоконно-оптических линиях связи имеет нормированные значения для определенных спектральных диапазонов (рисунки 1.5, 1.8, 1.9). Это волоконные световоды с нулевой дисперсией на волне 1310 нм (SM, по рекомендации G.652), световоды со смещенной (DS, по рекомендации G.653) и смещенной ненулевой дисперсией (NZDS, по рекомендациям G.655, G.656): Tera Light, Pure Guide, E-LEAF, True Wave.

Рисунок 1.8. Характеристика дисперсии одномодового стекловолокна SM, оптимизированного для длины волны 1.31 мкм

Рисунок 1.9. Характеристика дисперсии одномодовых стекловолокон SM, DS, NZDS для длины волны 1.55 мкм

На рисунке 1.10 представлены характерные значения показателей преломления сердцевины и оболочки для одномодовых волокон SM и NZDS.

Рисунок 1.10. Характеристики показателей преломления одномодовых стекловолокон для минимума дисперсии на 1310нм и около 1550 нм

С другими примерами характеристик затухания и дисперсии волоконных световодов можно детально ознакомиться в литературе [2, 4, 6, 7, 8, 10, 12, 17].

Нелинейно-оптические эффекты в средах распространения рассматриваются как результат взаимодействия оптического излучения (оптического поля) с множеством атомов и молекул. Эти эффекты могут приводить как к поглощению световых волн и их рассеянию, так и к усилению. Для усиления световых волн среда распространения должна иметь инверсное (возбужденное состояние), в котором она может отдавать часть своей энергии световому полю. Подобные среды в технике оптических систем связи представляют собой полупроводниковые и стекловолоконные световоды с редкоземельными примесями (ионами эрбия Er, неодима Nd, празеодима Pr, тулия Tm). Нелинейно-оптические эффекты имеют уже устоявшуюся классификацию и достаточно хорошо изучены [2, 3, 4, 23, 31, 38, 40, 52]:

• вынужденное комбинационное рассеяние и усиление;

• вынужденное бриллюэновское рассеяние;

• фазовая самомодуляция;

• четырехфотонное смешение и некоторые другие [61, 62, 63, 64].

Поляризационные свойства физических сред распространения оптических волн обусловлены оптической неоднородностью (анизотропией) и могут иметь как естественное (природное), так и конструктивное происхождение.

Рисунок 1.11. Поляризация на границе раздела оптических сред

Поляризация световой волны, т.е. придание волне определенных свойств по распределению напряженности электрической и магнитной составляющих поля, может происходить в результате отражения от границы раздела оптических сред с разными показателями преломления (рисунок 1.10).

В средах с анизотропными оптическими свойствами, например, в кварце, исландском шпате, слюде, естественный свет подразделяется на две линейно поляризованные в различных плоскостях волны, которые распространяются с различными скоростями. Это явление называется двойным лучепреломлением.

В ряде изотропных материалов, например, в жидкостях типа нитробензола, возможно искусственное создание эффекта двойного лучепреломления при помещении вещества в сильное электрическое поле. Идея создания определенных свойств оптических материалов реализована в различных приборах на основе линейного электрооптического эффекта Поккельса и нелинейного оптического эффекта Керра [2, 65].

Распространение световых волн в волоконных световодах связано с законами оптики (отражения, преломления) и обусловлено процессами образования оптических мод т.е. определенных типов колебаний. Описание этих процессов можно также найти в многочисленной литературе. Однако для облегчения изучения ряда сложных разделов ниже приведены некоторые определения из классической физики.

При падении луча света на границу раздела двух сред могут наблюдаться следующие эффекты: луч света преломляется; луч света отражается; луч света распространяется вдоль границы раздела сред. Эти эффекты зависят от соотношения показателей преломления сред и угла падения света. Связь этих параметров устанавливает закон Снеллиуса (голландский ученый 1580-1620гг):

, (1.9)

где a – угол падения, b – угол преломления, V₁ –скорость света в среде 1, V₂ – скорость света в среде 2. На рисунке 1.12 приведен пример распространения света на границе раздела сред.

Рисунок 1.12. Световые лучи на границе раздела физических сред

Условие Брэгга-Вульфа устанавливает связь периодической среды с направлением эффективно дифрагирующих лучей света и длиной волны излучения

2×d×SinQ = m×λ, (1.10)

где d- расстояние между отражающими элементами, Q- угол между падающим лучом и отражающей плоскостью, λ- длина волны излучения, m- порядок дифракции. Для справки: Брэгг У.Л. (1862-1942гг) английский физик, Вульф Г.В. (1863-1925) российский физик.

1.3. Характеристики материалов для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов

Исходя из используемых спектральных диапазонов волн оптического излучения (0,8 ¸ 1,6 мкм) и некоторых перспективных участков от 1,6 мкм до 50 мкм можно отметить, что им соответствуют энергии запрещенной зоны 0,1 ¸ 5 эВ, которыми обладают полупроводниковые материалы. Энергетическая модель материала представлена на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13. Энергетическая модель материала

Материал, у которого значение Eg = 0, называют проводником. Если Eg > 5 эВ, то материал называют изолятором.

В процессах взаимодействия излучения с материалом играет роль прежде всего энергетическая структура внешних электронных оболочек, а именно верхнего валентного уровня (Ev) и уровня ионизированного (Ес) – свободного электрона. Электрон, обладающий энергией, соответствующей одному из уровней валентной зоны, связан с атомами кристаллической решетки и пространственно локализован. Если же электрон занимает место в зоне проводимости, то он не связан с решеткой и может свободно перемещаться по кристаллу. Изменение энергии электрона представляет собой квантовый переход. Наиболее существенными являются переходы из одной зоны в другую, т.к. они сопровождаются качественными изменениями состояния кристалла. Закономерности перехода электронов в разные энергетические состояния и определяют процессы взаимодействия излучения с веществом. В состоянии термодинамического равновесия вероятность нахождения электрона на том или ином уровне (Ес или Ev) определяется функцией распространения Ферми – Дирака

(1.11)

где E_F - уровень Ферми, совпадающий с энергетическим уровнем, для которого эта вероятность составляет 0,5;

К – постоянная Больцмана 1,38 х 10^–23 Дж/К,

Т- температура по Кельвину.

Электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить энергию в виде кванта

(1.12)

где h и f определены в (1.1).

По скорости протекания процессов перехода электронов из одних состояний в другие материалы условно подразделяют на прямозонные и непрямозонные. Это принципиальное разделение материалов на два класса обусловлено тем, что в прямозонных материалах процессы перехода электронов проходят с минимальной задержкой и имеют высокую квантовую эффективность, т.е. выделение или поглощение квантов энергии, а в непрямозонных материалах эти процессы заторможены или вообще не происходят. Типичными прямозонными материалами являются GaAs, InAs, ZnS, GdS, а непрямозонными – Si, Ge, GaP, SiC. Эти материалы – полупроводники. Прямозонные материалы идут на изготовление прежде всего излучателей, а непрямозонные – на изготовление приемников и волноводов оптического излучения.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили примесные полупроводниковые материалы, в которых внутри запрещенной зоны могут создаваться дискретные энергетические уровни.

Примесные полупроводники характеризуются измененными энергетическими диаграммами и образуют разные виды проводимости электрического тока – электронную и дырочную (рисунок 1.13).

Наибольший интерес для изготовления источников и приемников оптического излучения представляет соединение разнородных примесных полупроводников и образующийся при этом переход между электронной и дырочной областями (рисунок 1.14).

Известно, что прибор, изготовленный из соединения p – n, представляет собой одностороннюю токопроводящую среду – диод. При прямом и обратном смещении p – n перехода за счет внешнего источника напряжения могут наблюдаться явления излучения фотонов при рекомбинации носителей зарядов и поглощения фотонов с образованием носителей зарядов (электронов и дырок).

Рисунок 1.13. Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов

В таблице 1.2 представлены характеристики некоторых материалов, применяемых для изготовления источников и приемников оптического излучения и волноводов.

Таблица 1.2. Характеристики материалов

Материал	Ge	Si	AlP	AlAs	AlSb	GaP	GaAs	GaSb	InP	InAs
Eg, ЭВ	0.66	1.11	2.45	2.16	1.58	2.28	1.42	0.73	1.35	0.36
Λ, мкм	1.88	1.15	0.52	0.57	0.75	0.55	0.87	1.7	0.92	3.5
Тип	I	I	I	I	I	I	D	D	D	D

I – непрямозонный, D – прямозонный.

Необходимо отметить, что материалы могут иметь и более сложный состав элементов, например: InGaAs, GaAlAs, LiNdP₄O₁₂, InGaAsP и другие.

Для изготовления приборов применяют материалы с шириной запрещенной зоны, соответствующей диапазонам прозрачности стекловолокна (0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм) или оптическим диапазонам (таблица 1.1) и высокой квантовой эффективностью для источников излучения, низкой эффективностью для световодов. При этом предпочтение отдается материалам, пригодным для массового изготовления приборов и безопасных при работе с ними.

Рисунок 1.14. Энергетические состояния полупроводниковых приборов на основе p – n перехода

1.4. Структурная схема оптической системы передачи

На рисунке 1.15 представлена обобщенная схема оптической системы передачи, в которой блоками отображены возможные виды оборудования систем передачи.

Мультиплексор – устройство, обеспечивающее объединение нескольких независимых каналов на передаче и их разделение на приеме. Мультиплексор объединяет как аналоговые, так и цифровые каналы. Основным аналоговым каналом является канал тональной частоты со спектром 0,3 ¸ 3,4 кГц [27]. Могут быть аналоговые каналы и с другими характеристиками, типовые:

• первичные (60¸ 108 кГц);

• вторичные (312¸ 552 кГц);

• третичные (812¸ 2044 кГц)

и специальные:

• звуковое вещание в спектре 0,03¸ 15 кГц;

• телевизионные в спектре 0,05 кГц¸ 6,5 МГц.

Цифровые каналы также имеют определенные стандарты скоростей передачи данных. Основной цифровой канал 64 кбит/с формируется на основе импульсно-кодовой модуляции ИКМ (дискретизация тонального сигнала во временном интервале 125 мкс и восьмиразрядное кодирование) [27]. Другие цифровые каналы определены как:

• первичный цифровой канал – 2 048 кбит/с;

• вторичный цифровой канал – 8 448 кбит/с;

• третичный цифровой канал – 34 368 кбит/с;

• четверичный цифровой канал – 139 264 кбит/с [35].

Рисунок 1.15. Обобщенная схема оптической системы передачи

В аналоговых и цифровых каналах могут передаваться информационные сигналы с соответствующим спектром или скоростью данных. Процедуры преобразования аналоговых сигналов в цифровые и наоборот подробно обсуждаются в [27]. В оптических системах передачи основное применение получили цифровые мультиплексоры, т.к. образуемые ими групповые сигналы представлены в двоичном коде, который придает высокую помехоустойчивость передаваемой информации. Однако в коротких линиях оптической связи применяются и аналоговые методы мультиплексирования, например, телевизионных каналов для сетей кабельного телевидения [44, 45, 46].

Широкое распространение получили цифровые мультиплексоры технологий:

• PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy – плезиохронной цифровой иерархии;

• SDH, Synchronous Digital Hierarchy – синхронной цифровой иерархии;

• АТМ, Asynchronous Transfer Mode асинхронного режима передачи [57].

В 2001-2005 годах МСЭ-Т принял ряд новых стандартов на цифровое мультиплексирование и передачу по волоконным линиям. Это стандарт оптической транспортной иерархии OTH, Optical Transport Hierarchy и стандарт оптической передачи Ethernet и т.д. [110]

Мультиплексирование также может быть реализовано для оптических каналов (аналоговых и цифровых). Аналоговые оптические мультиплексоры позволяют объединять/делить определенное количество каналов, образованных на различных оптических несущих частотах в окнах прозрачности одномодовых оптических волокон. Например, в третьем окне прозрачности (1530-1565 нм) определено местоположение 41 частоты от 1528,77 нм до 1560,61 нм с интервалом не более 2 нм по рекомендации G.692. Такой вид мультиплексирования получил название мультиплексирование с разделением по длине волны – Wavelength Division Multiplexing, WDM. Существуют и другие виды мультиплексирования с разделением по длине волны (CWDM, DWDM), которые будут обсуждены в последующих разделах.

Цифровое оптическое мультиплексирование, называемое оптическим мультиплексированием с разделением по времени OTDM, Optical Time Division Multiplexing, пока не получило широкого распространения из-за ряда технологических проблем реализации оптических мультиплексоров коротких импульсов. Однако оно может найти применение в оптических системах передачи с использованием солитонов [23].

Оптический конвертор в системе передачи выполняет главные функции в преобразовании электрических сигналов в оптические на передаче и оптических в электрические с их регенерацией на приеме. Обобщенная структурная схема конвертора цифровых сигналов представлена на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16. Оптический конвертор

Преобразователь линейного кода цифрового сигнала формирует сигнал с повышенной помехоустойчивостью передачи. Передающий оптический модуль (ПОМ) обеспечивает модуляцию оптического излучения и стык с оптической средой (атмосферой или волоконной линией). Приемный оптический модуль (ПрОМ) преобразует оптическое излучение в электрический сигнал, производит коррекцию искажений, усиление и регенерацию цифрового сигнала. При этом выделяется тактовая частота, которая используется для синхронизации приемной части мультиплексора для правильного демультиплексирования каналов.

Функции конвертора полностью контролируются и могут быть управляемыми благодаря встроенным средствам, например, микроконтроллерам.

В состав системы передачи могут входить оптические усилители (ОУс), которые позволяют увеличить мощность одноволнового или многоволнового сигнала на передающей стороне или повысить чувствительность приемника. Оптические усилители имеют хорошо согласованные характеристики с оптическими передатчиками, приемниками и волоконно-оптическими линиями [6, 9, 26].

Промежуточные станции оптической системы передачи могут быть представлены различными устройствами: электронными регенераторами, оснащенными оптическими конверторами; электронными мультиплексорами с доступом к определенному числу каналов; оптическими усилителями, служащими для ретрансляции оптических сигналов, оптическими мультиплексорами с формированием доступа к отдельным оптическим каналам. В состав мультиплексоров промежуточных станций могут входить электрические и оптические кроссовые коммутаторы.

Цифровые оптические системы передачи, как правило, снабжены средствами телеконтроля и телеуправления, что позволяет контролировать работу всех компонентов системы передачи и быстро ликвидировать аварийные состояния. Обозначенные на рисунке 1.15 каналы и тракты определены во вводной части. Электрические и оптические секции мультиплексирования и регенерации (ретрансляции) определяются как участки системы передачи с отдельным контролем и управлением.

Взаимосвязь секций, трактов и каналов представлена иерархической структурой на рисунке 1.17.

Рисунок 1.17. Иерархическая организация системы передачи

Точки, обозначенные на рисунке 1.15, представляют собой стандартные стыки – интерфейсы (электрические и оптические).

Контрольные вопросы

1. Какие частоты электромагнитных колебаний относят к оптическому диапазону?
2. Как связаны длина волны электромагнитного излучения и частота?
3. Чем характеризуют оптические свойства физических сред?
4. Какие характеристики имеет стеклянный световод?
5. Чем определяются потери оптической мощности в стекловолокне?
6. Какие дисперсионные искажения оптических сигналов возможны в стекловолокне?
7. Что называют двойным лучепреломлением?
8. Что обозначает условие Брэгга-Вульфа?
9. Что представляет собой оптическая анизотропия?
10. Какие полупроводниковые материалы используются в производстве приборов для оптических систем связи?
11. Чем отличаются прямозонные и непрямозонные материалы?
12. Какое назначение имеет оптический конвертор?