Построение схем оптических передатчиков
При построении схемы оптического передатчика необходимо решать следующие основные задачи:
Первая задача состоит в том, чтобы выбрать метод модуляции оптического излучения лазера или СИД (далее полагаем, что в ОПД в качестве источника излучения используется только ИЛ). Передаваемым сигналом излучение лазера можно модулировать путем внешнего воздействия на какой-либо из его параметров после того, как оно выйдет из источника. Можно модулирующим (передаваемым) сигналом непосредственно воздействовать на источник излучения.
Типичный способ модуляции оптического излучения состоит в непосредственном воздействии импульсов модулирующего тока на лазер одним из трех методов.
Первый метод заключается в использовании непосредственной модуляции излучения лазера по интенсивности. Модуляция по интенсивности состоит в том, что при передаче «1» (импульса) лазер излучает оптический импульс, а при передаче «0» (пробела) – не излучает. На практике это не совсем так. Последовательность входных модулирующих видеоимпульсов ЦГС в коде NRZ воздействует на источник оптического сигнала и управляет его излучением, как показано на рис. 3.20, а.
Непосредственное возбуждение лазера импульсами входного тока Iвх = Iнак имеет недостатки (рис. 3.20, б):
а) время нарастания импульса входного тока до значения порогового тока Iпор приводит к значительной задержке tз между началом импульса входного тока и началом генерации лазером импульса оптического излучения;
б) вследствие наличия релаксационных процессов возникают большие выбросы в оптических импульсах, излучаемых лазером;
в) расширяется спектральный состав излучения лазера.
Однако следует указать, что при таком методе рассеиваемая лазером мощность минимальна, а срок его службы увеличивается.
Второй метод предполагает предварительное введение лазера в режим предпорогового смещения и последующий перевод его в надпороговый режим работы при поступлении импульсов тока модулирующего (входного) сигнала. Простейший способ реализации этого метода заключается в том, что в лазер инжектируется постоянный ток смещения Iсм, близкий к пороговому току Iпор, и осуществляется модуляция излучения лазера по интенсивности входными импульсами за порогом генерации. В этом случае устраняются указанные выше недостатки первого метода, однако к выходному сигналу лазера добавляется постоянный уровень порогового шума. Второй метод показан на рис. 3.21, а, а некоторые результаты его применения приведены на рис. 3.21, б.
Третий метод предусматривает наличие надпорогового смещения в лазере. При этом также устраняются недостатки первого метода и пороговый шум, однако на выходе лазера появляется непрерывный шум фона, который добавляется к шумам фотоприемника противоположного пункта. Поскольку в этом случае необходимо использовать лазер в более напряженном режиме, то уменьшается ожидаемый срок его службы.
Практически в ОПД систем передачи SDH применяется второй метод модуляции излучения одномодового лазера.
Вторая задача заключается в стабилизации выходной мощности излучения лазера. Для поддержания постоянной мощности оптического излучения на выходе лазера используют параметрический способ ее стабилизации, способ с использованием НЧ-подмодуляции и импульсный способ. Более подробно некоторые из этих способов рассмотрены ниже.
Третья задача построения схемы оптического передатчика предусматривает наличие в нем устройств управления излучением лазера, стабилизации режима его работы и защиты от различных нестандартных воздействий, например, отказ источника электропитания, превышение установленной мощности излучения («Авария излучателя»), слишком высокий уровень или пропадание входного модулирующего сигнала («Авария входного сигнала») и т. д.
Устройства управления излучением лазера содержат цепи обратной связи, обеспечивающие, например, прекращение излучения в случае пропадания входного (модулирующего) сигнала.
Установленный режим работы лазера и заданная мощность на его выходе поддерживаются током в цепи обратной связи по среднему значению мощности оптического излучения. В схеме ОПД должна быть также предусмотрена возможность коррекции мощности излучения в случае отклонения ее от заданного значения.
Схемы защиты предохраняют лазер от различных воздействий (например,
неисправности в цепях электропитания ОПД).
Вернемся к способам поддержания постоянной мощности оптического излучения на выходе лазера.
Параметрический способ основан на том, что учитывается информационно- статистическая структура передаваемого сигнала. Входной сигнал ОПД нормируется, интегрируется и вычитается из проинтегрированного сигнала с фотодиода обратной связи. Разностный сигнал поддерживается неизменным автоматической регулировкой тока смещения лазера. Функциональная схема ОПД, в которой использован параметрический способ стабилизации выходной мощности лазера и второй из описанных выше методов модуляции его излучения, приведена на рис. 3.22 [21].
Схема состоит из оптических и электронных устройств. Оптическими элементами схемы являются инжекционный лазер V1 и фотодиод обратной связи V2. К электронным устройствам относятся:
1)модулятор, или формирователь модулирующих импульсов тока ФМИТ; 2)автоматический регулятор тока смещения АРТС, или стабилизатор средней мощности
оптического излучения лазера;
3)устройства управления, защиты (блокировки), контроля и индикации.
Представленная схема ОПД работает следующим образом. Последовательность импульсов ЦГС через схему блокировки поступает на ФМИТ, где преобразуется в импульсы с заданной амплитудой и другими параметрами для управления мощностью излучения лазера V1. В соответствии с ватт-амперной характеристикой лазерного диода V1 в формирователе ФМИТ обеспечивается получение такой величины входного тока Iвх, которая в сумме с током прямого смещения Iсм создает заданный режим работы лазера. Для создания в лазере условий вынужденного одномодового излучения с заданной выходной мощностью амплитуда результирующего входного токового импульса Iнак = Iвх + Iсм, проходящего через лазерный диод V1, должна быть несколько выше порогового тока Iпор (см. рис. 3.21, а). В то же время она должна быть меньше амплитуды, при которой возбуждаются моды высших порядков. Чтобы одномодовое излучение лазера с узкой спектральной линией имело постоянную выходную мощность, ток Iсм стабилизирован с помощью цепи автоматически регулируемой обратной связи.
Однако остается проблема зависимости Iпор = φ(t°C) – при увеличении температуры на 40…50 °С ток Iпор возрастает вдвое (см. рис. 3.18). Это приводит к резкому увеличению мощности излучения лазера и расширению спектрального состава его излучения. Поэтому во всех ОПД лазер и фотодиод обратной связи помещаются в термостат, а ток Iсм с помощью обратной связи автоматически поддерживается постоянным. В совокупности термостатирование и система автоматической регулировки тока смещения обеспечивают стабилизацию параметров лазера, в частности средней мощности излучения, и минимизируют постоянную составляющую излучаемого оптического сигнала. С выхода термостата излучаемые импульсы через оптический соединитель вводятся в ООВ станционного оптического кабеля, который через устройство соединения станционного и линейного кабелей соединяется с линейным оптическим кабелем.
В случае пропадания передаваемого сигнала на входе ФМИТ, последний через устройство контроля входного сигнала блокируется с помощью схемы блокировки, аварийный сигнал в виде логической «1» подается на устройство сигнализации, загорается светодиод «Авария входного сигнала».
Работоспособность и заданный режим работы лазера V1 непрерывно контролируются. Если ток Iсм превысит паспортное значение, соответствующее предельному режиму работы лазера, сигнал аварийной сигнализации через устройство контроля работы излучателя в виде логической «1» подается на устройство аварийной сигнализации, загорается светодиод
«Авария лазера», лазер автоматически выключается.
Устройство АРТС состоит из фотодиода обратной связи V2, формирователя опорного напряжения ФОН, компаратора К и регулятора тока смещения РТС. Последовательность импульсов ЦГС, кроме ФМИТ, подается также на вход ФОН. С выхода ФОН сигнал, пропорциональный коэффициенту заполнения ЦГС, т. е. соотношению в нем нулей и единиц* подается на вход компаратора К. На его второй вход через фотодиод V2 поступает сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения лазера V1. С выхода К разностный сигнал управляет работой РТС. Последний при необходимости изменяет ток Iсм, что позволяет поддерживать постоянной выходную мощность импульсов оптического излучения.
Рассмотренная схема ОПД имеет некоторые недостатки:
1)в процессе производства ОПД ток накачки (модуляции), равный сумме Iвх + Iсм,
устанавливается при настройке передатчика и в дальнейшем не изменяется;
2)указанный ток имеет температурную зависимость, которая различна для каждого лазера;
3)в схеме не учитывается снижение эффективности лазера в процессе его старения и,
следовательно, излучаемая мощность будет уменьшаться.
Не смотря на отмеченные недостатки, схема имеет практическое применение.
Способ стабилизации выходной мощности лазера с использованием НЧ-подмодуляции основан на том, что входные видеоимпульсы модулируются НЧ-вспомогательным сигналом. Принципиальная схема ОПД, в котором для стабилизации выходной мощности оптического излучения используется НЧ-подмодуляция, приведена на рис. 3.23. В этой схеме по НЧ- составляющей в составе сигнала оптического излучения автоматически регулируются ток смещения и входной ток модуляции лазера. Поэтому схема содержит два контура стабилизации выходной мощности оптического излучения.
Первый контур стабилизирует среднюю мощность оптического излучения, регулируя постоянный ток смещения лазера V1. В состав контура входят такие устройства: фотодиод обратной связи V2, усилитель А1, компаратор А2, интегратор Инт, регулируемый источник тока смещения на транзисторе T3. Контур работает следующим образом. Фототок, пропорциональный излучаемой оптической мощности, с фотодиода обратной связи V2 поступает на вход усилителя А1, где преобразуется в соответствующее напряжение. Коэффициент преобразования устанавливается резистором Rос. Напряжение с выхода усилителя А1 в компараторе А2 сравнивается с опорным напряжением U0. Разностный сигнал с выхода компаратора через интегратор Инт задает управляющее напряжение на транзисторе T3. Этим напряжением регулируется постоянный ток смещения лазера V1 и, следовательно, его средняя мощность оптического излучения.
Второй контур регулирует входной ток модуляции передаваемого сигнала таким образом, чтобы результирующий сигнал НЧ-составляющих в составе лазерного излучения был равен нулю. В состав второго контура входят: фотодиод обратной связи V2, усилители А1 и A3, интегратор-компаратор R6, С4, А4 и регулятор входного тока на транзисторах T1, T2.
Вспомогательными устройствами рассматриваемой схемы ОПД являются генератор тока НЧ-подмодуляции Г со схемой управления и детектор входного сигнала Д. Генератор собран на транзисторах T4 и T3, он генерирует прямоугольные импульсы с частотой их следования 10 кГц и управляет ключом К3. Амплитуда импульсов тока НЧ-подмодуляции на выходе генератора пропорциональна напряжению на базах транзисторов T4, T5, деленному на сопротивление резисторов R4 и R5. Соотношение токов модуляции Iм и смещения Iсм задается отношением сопротивлений резисторов R4 и R5. При этом глубина модуляции передаваемого сигнала сигналом НЧ-подмодуляции определяется отношением сопротивлений R4/R3.
Второй контур работает следующим образом. Результирующий сигнал НЧ- составляющих в составе лазерного излучения с фотодиода обратной связи V2 поступает на вход усилителя А1. С выхода усилителя этот сигнал через конденсатор С2, усилитель A3 и конденсатор С3 подается на ключ К1, который управляет генератором Г. Ключ К1 и генератор Г образуют синхронный детектор.
Если разностный ток Iм – Iсм, поступивший на ключ К1, имеет положительное значение, то сигнал на выходе этого ключа отрицательный и интегратор-компаратор R6, С4, А4 увеличивает ток НЧ-подмодуляции, поступающий через ключ К2 на базы транзисторов T1, T2. Если разностный сигнал Iм – Iсм отрицательный, то интегратор-компаратор уменьшает ток НЧ-подмодуляции, поступающий на базы транзисторов T1, T2. Таким путем осуществляется изменение (подмодуляция) входного сигнала, модулирующего излучения лазера V1.
Передаваемый ЦГС поступает на вход 1 схемы и через конденсатор С1 воздействует на базы транзисторов T1, T2, на которых собрана схема регулятора входного тока.
Одновременно дифференциальный усилитель на транзисторах T1, T2 является формирователь модулирующих импульсов тока, которые управляют излучением лазера V1.
Таким образом, изменяя напряжения на входах 2 (регулировка тока подмодуляции) и 3 (регулировка тока смещения), можно управлять токами модуляции и смещения лазера соответственно.
Рассмотренный способ стабилизации выходной мощности излучения лазера является более предпочтительным по сравнению с приведенным выше параметрическим способом, поскольку здесь осуществляется автоматическая регулировка тока смещения и тока модуляции, которые зависят от температуры и старения лазера.
В схеме предусмотрен детектор входного сигнала Д, который при отсутствии передаваемых импульсов на входе 1 схемы с помощью ключа К2 отключает регулировку тока подмодуляции, т. е. разрывает цепь с выхода интегратора-компаратора R6, С4, А4 на базы транзисторов T1, T2. Так снимается неопределенность в работе второго контура. В противном случае регулировка тока модуляции могла бы начаться с его максимального значения.
Импульсный способ стабилизации выходной мощности излучения лазера основан на сравнении параметров импульсов на выходе фотодиода обратной связи с эталонными импульсами. Для реализации способа необходимы быстродействующий фотодиод обратной связи, а также тракт измерения и усиления выходных импульсов. Это существенно усложняет задачу построения такой схемы ОПД.
Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.
Источник
