Scrigroup - Documente si articole

Username / Parola inexistente      

Home Documente Upload Resurse Alte limbi doc  


AccessAdobe photoshopAlgoritmiAutocadBaze de dateCC sharp
CalculatoareCorel drawDot netExcelFox proFrontpageHardware
HtmlInternetJavaLinuxMatlabMs dosPascal
PhpPower pointRetele calculatoareSqlTutorialsWebdesignWindows
WordXml


Componente principale ale sistemelor optice: Lasere, Fotodetectoare

retele calculatoare

+ Font mai mare | - Font mai mic



Componente principale ale sistemelor optice

Un nod WDM este format dintr-o sectiune de multiplexare-demultiplexare, o sectiune de comutatie si o sectiune de interfata locala. Sectiunea de interfata locala este compusa din detectoare de impulsuri impartite si ele la randul lor in surse optice, detectoare optice si circuite electronice complexe.




Sectiunea de multiplexare si cea de demultiplexare este formata din MUX si DMUX optice. Sectiunea de comutatie are o matrice de comutatoare O-E-O sau O-O-O configurate in add-drop sau in cross-connect.  

Fig. 22 Nod WDM

1 Lasere (Emitatoare optice)

Laserele sunt folosite drept surse optice pentru emiterea datelor modulate in fibra optica. Laserul emite o raza de lumina ingusta avand un spectru optic mic, insa puterea semnalului la iesire este foarte mare.

Laserul este un dispozitiv semiconductor care opereaza ghidat de conditia de inversie a populatiei. Conditia de inversie a populatiei specifica superioritatea numerica in volum a electronilor in starea excitata asupra electronilor aflati in repaus intr-un dispozitiv cu jonctiune semiconductoare.

Laserul semiconductor se bazeaza pe proprietatile optice ale jonctiunii p-n. Materialele folosite in mod traditional erau Siliciul si Germaniul. Acum se folosesc aliaje precum Galiu Arsen si Indiu Fosfat. Un material semiconductor devine de tip n sau de tip p prin doparea materialului. Adaugarea de electroni creeaza un material de tip n, iar inlaturarea de electroni conduce la un material de tip p. Inlaturarea de electroni poate fi considerata ca o adaugare de goluri. Un material semiconductor ce contine o regiune de tip p si o regiune de tip n, cu o frontiera comuna intre tipul p si n poarta numele de jonctiune p-n.


Zona de golire

Fig. 23 Dioda cu jonctiune p-n

Electronii liberi dintr-un semiconductor se pot misca atunci cand o diferenta de tensiune este aplicata liniar de-a lungul intregii suprafete a semiconductorului; aceasta stare se numeste stare de conductie. Electronii sunt considerati a fi in banda de conductie. Un nivel energetic este asociat cu banda de conductie, acest nivel de energie fiind dat de distributia Fermi-Dirac.

La trecerea curentului prin materialul semiconductor, electronii liberi absorb o cuanta de energie si trec in starea excitata. Dupa o perioada de timp, acesti electroni, care au absorbit energia in exces si au trecut intr-o stare de excitatie mai mare, revin la starea originala prin emiterea energiei absorbite in exces sub forma de fotoni.

Emisia spontana reprezinta oscilatia aleatoare a electronilor intre diversele nivele energetice cu emiterea apoi a radiatiei fotonice. Setul de frecvente optice obtinute la iesire este proportional cu energia dintre starile stabile si cele excitate purtand numele de energia benzii de golire. Fiecare foton emis are o distributie aleatoare a fazei si a frecventei. Emisia spontana nu poate sustine comunicatia optica datorita puterii scazute si a spectrului larg al emisiei. Astfel semnalul ar fi atenuat sever si ar patrunde pe canalele adiacente. Pentru ca laserele sa functioneze, emisia ar trebui sa fie stimulata (controlata extern). Fie cazul in care cativa electroni au absorbit energie, aflandu-se intr-o stare excitata. Acestia sunt bombardati cu un foton extern, electronii trecand acum din starea excitata in starea fundamentala si emitand fotoni cu aceeasi frecventa si faza ca si fotonul incident. Se obtine o raza de lumina puternica cu frecventa controlabila, ce este determinata de fotonul initial.

Sustinerea unei astfel de surse pentru o perioada mare de timp, se realizeaza daca in orice moment de timp exista o abundenta de fotoni in stare excitata. Numarul de electroni in stare excitata ar trebui sa fie mai mare decat numarul de electroni in stare fundamentala. Daca acest lucru nu se intampla atunci emisia este spontana (fazele si frecventele diferite).

Dispozitiv de stimulare

 
Inversia de populatie se poate obtine prin folosirea mai multor nivele energetice. De indata ce se stabileste inversia de populatie, sistemul prezinta un castig optic datorita reactiei obtinute din bombardamentul fotonilor asupra electronilor excitati creand o raza de putere mare cu o frecventa controlabila. Castigul optic este cuplat de inca un factor si anume feedback-ul optic. Se obtine feedback-ul optic plasand jonctiunea p-n intr-o cavitate cu pereti reflectorizanti. Castigul optic comanda emisia stimulata intr-un profil de castig care este analog profilului de castig al unui amplificator electric, in timp ce feedback-ul optic asigura functia oscilatorie a jonctiunilor p-n.

raza de lumina

Mediu activ laser

oglinda reflectoare Fig. 24 oglinda partial permisiva (transmitatoare)

Frecventa fotonului emis de laser este:

f=(Ei - Ef)/h (rel. 25)

unde f-frecventa fotonului, Ei-starea initiala, Ef-starea finala, h- constanta lui Planck.

1.1 Lasere DFB

Realizarea feedback-ului se face prin plasarea unei jonctiuni p-n intr-o cavitate care are toti peretii reflectorizanti complet pe toate partile, mai putin unul care reflecta partial. Daca este adaugata o suprafata ondulatorie in interiorul cavitatii, se obtine feedback-ul optic feedback distribuit (DFB). Cand un fascicul de lungimi de unda lovesc suprafata ondulatorie, doar lungimile de unda care indeplinesc conditia lui Bragg sunt reflectate inapoi.

= a (rel. 26) conditia lui Bragg

unde n - indicele de refractie; - perioada grilajului (suprafetei ondulatorii); a ordinul difractiei Bragg; lungimea de unda.

Astfel ca pentru retelele WDM de banda ingusta acest tip de laser (DFB) prezinta interes.

1.2 Lasere DBR ( Reflector repartizat de tip Bragg)

Dioda

Text Box:                      N
Grilaj Oglinda

Text Box:           P partiala

iesire

Lentila

Fig. 25 Colimatoare

Acest tip de laser este asemanator cu DFB, insa feedback-ul care este asociat prin grilaj se extinde la intreaga regiune a cavitatii. Strierea grilajului se extinde pana la peretii oglinditi, marind acordajul. Pentru un laser DBR trebuie satisfacuta conditia Bragg. Laserele DBR sunt fiabile pentru sursele optice acordabile. Laserele DBR si DFB sunt dependente de temperatura acest lucru rezultand in folosirea unor elemente de control a temperaturii pentru operatiuni stabile uniforme.

1.3 Lasere acordabile

Laserele acordabile sunt foarte importante pentru retelele optice. In timp ce sistemele DWDM multicanal au marit capacitatea fibrei optice pentru transmiterea mai multor lungimi de unda simultan, inlocuirea laserelor fixe este extrem de costisitoare. Cu un laser acordabil, operatorul trebuie numai sa aleaga frecventa necesara in locul utilizarii a cate un emitator pentru fiecare lungime de unda. De exemplu, intr-un sistem DWDM cu 32 canale, operatorul poate inlocui cele 32 lasere separate cu 4 lasere acordabile, ce pot emite mai mult de 8 lungimi de unda fiecare. Producatorii estimeaza ca laserele acordabile, ce pot trece de la o lungime de unda la alta in nanosecunde, vor fi capabile sa realizeze toate functiile de comutare si rutare dintr-o astfel de retea.

Pentru a evita blocarea retelelor este nevoie de o sursa optica care sa se poata acorda la diferite lungimi de unda. Schimbarea curentului prin grilaj conduce la o schimbare a lungimii de unda Bragg si a feedback-ului asociat. Astfel un laser DBR poate fi acordat de-a lungul a cativa nanometri.

Lasere acordabile mecanic

Laserele acordate mecanic au un domeniu de acord mai larg, insa timpi mai mari de acord. Schimbarea lungimii dintre peretii cavitatii conduce la schimbarea frecventei rezonante, acest lucru putandu-se realiza si mecanic. De obicei se foloseste o cavitate Fabry-Perot adiacenta mediului laser. Acordul se face prin ajustarea fizica a distantei dintre cele doua oglinzi la oricare din capetele cavitatii astfel incat doar lungimile de unda dorite sa interfere cu reflexiile lor multiple in cavitate.

Fig. 26 Laser acordabil mecanic

Lasere acordabile acusto-optic si acusto-electric

Aceste tipuri de lasere folosesc filtre acordabile externe. La un laser acordabil acusto-optic indicele de refractie in cavitatea externa se modifica prin folosirea undelor audio sau a curentului electric (acusto-electric). Timpul de acord este limitat de timpul necesar luminii sa se formeze in cavitate la noua frecventa. Laserul acusto-optic imbina un interval de acord moderat cu un timp de acord moderat. Timpul de acord la un astfel de laser este de ordinul microsecundelor fata de milisecunde in cazul celui acordabil mecanic. Laserul electro-optic vine cu timpi de acord de ordinul nanosecundelor. Intervalul de acord este limitat de intervalul de frecventa generat de laser si de intervalul de lungimi de unda rezolvat de filtru.

1.4 Laserul VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

Laserul VCSEL este o dioda laser semiconductoare care emite lumina perpendicular pe planul jonctiunii p-n. Un laser VCSEL are ca parti principale: regiunea activa si oglinzile. O intercalare a regiunilor active (intre oglinzi) este creata prin stivuirea subcomponentelor vertical una peste cealalta.

Fig. 27 Laserul VCSEL

Daca un curent mic este aplicat dispozitivului, lumina este emisa in regiunea activa a laserului. Lumina este reflectata inainte si inapoi si doar o fractiune de lumina scapa prin oglinda pentru a forma raza laser. Acest tip de laser este eficient si lucreaza la tensiuni mici datorita castigului mare si volumului mic al structurii VCSEL. Se pot atinge astfel viteze mari de modulatie directa de pana la 2.5 Gbps, astfel ca nu mai este nevoie de un modulator extern.

In comparatie cu celelalte tipuri de lasere, VCSEL ofera performante mari, dimensiuni reduse, putere mare, cuplare eficienta a fibrei, fabricare si impachetare mai usoara, capacitatea structurii de a fi integrata intr-o matrice bidimensionala, pret scazut.

1.5 Linia spectrala a laserului

Pentru a preveni ca spectrul de date sa se amestece cu spectrele canalelor adiacente, latimea liniei spectrale a unui laser trebuie sa fie cat mai ingusta. De regula, spectrul unui laser are o frecventa centrala dominanta si multiple frecvente laterale mici.

Fig. 28 Latimea liniei spectrale

Pentru un sistem WDM, latimea liniei spectrale tipice este de cativa MHz. O mare problema in sistemele WDM o reprezinta latimea liniei spectrale a laserului, deoarece odata cu cresterea ei, se mareste si diafonia canalelor adiacente.

1.6 Alunecarea de frecventa Chirp

Daca se aplica o tensiune unui laser, apare o schimbare drastica a raportului de densitate electron-gol din regiunea activa. Schimbarea brusca in densitate influenteaza indicele de refractie.

Linearchirp.pngFig. 29 Forma liniara de unda Chirp

unda sinusoidala ce creste in timp liniar in frecventa

Temperatura regiunii creste si ea, influentand la randul ei lungimea regiunii active. Aceste efecte au rolul de a schimba frecventa centrala a impulsului optic ce este transmis. Chirp-ul reprezinta schimbarea in timp a frecventei semnalului optic transmis. In cazul laserului semiconductor, frecventa impulsului se micsoreaza datorita chirp-ului. Efectele neliniare pot sa produca chirp in sistemele optice de comunicatie, putand fi redus prin folosirea modulatoarelor externe.

1.7 Modulatia

Modulatia este un proces folosit in telecomunicatii prin care se modifica unul sau mai multi parametri ai unui semnal purtator (carrier) pentru a transmite informatii. In procesul de modulatie exista trei semnale:
- Semnalul modulator - Semnalul original ce se doreste a fi transmis;
- Semnalul purtator - Semnalul ai carui parametri vor fi modificati pentru a transmite semnalul modulator;
- Semnalul modulat - Semnalul ce se transmite, si anume semnalul purtator, modificat corespunzator.

Principala aplicatie a modulatiei o reprezinta transmiterea unui semnal in alta banda de frecventa decat cea pe care este acesta situat. Consecinta este ca se pot transmite mai multe semnale (convorbiri) pe acelasi canal, in acelasi timp.



Modulatia poate fi privita ca suprapunerea unui flux de date pe un semnal purtator prin alterarea unei calitati a semnalului purtator, luandu-se in considerare si o schimbare a fluxului de date. Se suprapune un flux de date binar peste o frecventa purtatoare. In reteaua optica WDM, datele sunt modulate in lumina emisa de dioda laser. Una dintre modalitatile de modulatie este ca puterea optica produsa de o dioda laser sa fie proportionala cu secventa binara a fluxului de date. Cele doua metode de a realiza aceasta modulatie sunt modulatia directa si cea externa.

Laser

untitled.bmp

Isosceles Triangle: Driverrerver


untitled.bmp

Feedback

 

Pulsuri optice

Fig. 30 Modulatia directa

In cazul modulatiei directe curentul emis de laser necesar cauzarii emisiei stimulate variaza cu fluxul de date. Astfel ca puterea optica produsa variaza in functie de fluxul de date. Un flux binar de date creeaza o serie de impulsuri optice izomorfe cand este proportional cu puterea optica. Pentru ca datele sunt cuplate direct cu curentul emis de laser, acest tip de modulatie poarta numele de modulatie directa. Ea nu poate fi folosita la viteze mai mari de 2.5 Gbps intrucat conduce la crearea unor neliniaritati, in special a SPM (modulatia fazei proprii) si mareste chirp-ul. In modulatia de tip RZ (return-to-zero), dioda laser comuta intre ON si OFF. Apare o dependenta de timp, ceea ce face ca rata de transfer sa aiba o limita maxima. Limitarea laserului modulat direct este data mai mult de distanta decat de latimea de banda.

untitled.bmp Laser


untitled.bmp

untitled.bmp

Fig. 31 Modulatia externa

Mach-zender-interferometer copy.jpgDaca o sursa laser nu este modulata direct pentru a alimenta fluxul de date, frecventa optica la iesire este modulata intr-o sectiune separata prin alte mijloace (Fig. 31), tehnica purtand numele de modulatie externa. Puterea de iesire a laserului este in general modulata intr-o cavitate externa. Principalele dispozitive utilizate sunt cavitatile Fabry-Perot sau interferometrele Mach-Zehnder (MZI).

Fig. 32 Interferometrul Mach-Zehnder

Modulatia in domeniul optic

De regula se foloseste metoda OOK (on/off keying) a sursei laser pentru a comunica datele printr-un domeniu optic. Fluxul de date este un tren de impulsuri, cu un maxim pentru 1 logic si un minim pentru 0 logic. Un inconvenient il reprezinta insa constrangerea de timp necesar pentru comutatia laserului intre starile pornit si oprit.

In formatul RZ (return-to-zero) al bitului 1 logic, nivelul de putere revine la 0 dupa jumatate de perioada; pentru bitul 0 nivelul de putere este 0 in permanenta. In formatul NRZ (non-return-to-zero), bitului 1 ii este asociata o putere maxima pe intregul interval, iar bitului 0 ii este asociat nivelul de putere 0 pe tot intervalul. Spre deosebire de RZ, avantajul major in cazul NRZ este ca ocupa numai jumatate din latimea de banda. Perioade lungi de 1 logic pot cauza insa un blocaj, conducand la nedecodarea semnalului de catre receptor, precum si la aparitia efectelor neliniare.

1 0 1 1 0 0 1

RZ

NRZ

Fig. 33 Formatul modulatiei

2 Receptori optici

Un receptor optic este format dintr-un fotodetector, urmat de un preamplificator ce amplifica fotocurentul pentru procesare. Urmeaza un amplificator de castig mare si un filtru trece jos. Un circuit de control al castigului amplificatorului limiteaza automat semnalul de iesire la un nivel fix, indiferent de puterea optica incidenta pe fotodetector. Filtrul trece jos reduce nivelul de zgomot si formeaza impulsurile. Etapa finala a receptorului optic consta intr-un circuit de decizie si un circuit de recuperare a tactului. Circuitul de decizie compara semnalul de iesire cu un nivel de varf la anumiti timpi definiti de circuitul de tact si apoi decide daca semnalul de intrare este 1 sau 0 logic.

2.1 Fotodetectoare

In general purtatorii apar intr-un semiconductor datorita excitarii electronilor din banda de valenta sau de pe nivelele donoare si deplasarea acestora in banda de conductie. Daca semiconductorul este iluminat apar purtatorii de sarcina suplimentari cu energie mai mare (purtatori liberi). Iluminand un semiconductor concentratia purtatorilor liberi devine:

n=n0+n (rel. 27)

p=p0+p (rel. 28)

unde n0, p0 sunt concentratiile de echilibru ale electronilor si golurilor, iar Δn, Δp sunt concentratiile electronilor si golurilor aparute ca urmare a injectiei optice.

Functionarea dispozitivelor fotodetectoare se bazeaza pe absorbtia radiatiei EM in corpul solid si generarea de purtatori de sarcina prin efect fotoelectric. Efectul fotoelectric

poate fi extern cand purtatorii parasesc materialul si intern cand purtatorii se elibereaza din reteaua cristalina. Functia unui receptor optic este sa decodeze si sa interpreteze semnalele optice, generand un flux de date electric proportional cu semnalul optic receptionat. Fotodetectorul converteste puterea optica in curent electric.


In telecomunicatii sunt folosite fotodiodele dintre fotodetectoare. Fotodioda este un dispozitiv optoelectronic realizat dintr-o jonctiune p-n sau un contact metal-semiconductor polarizat invers, cu regiunea de trecere excitata de un flux luminos.

Fig. 34 Caracteristica curent-tensiune

Caracteristica curent-tensiune reprezinta cele trei zone in care poate functiona fotodioda:

- cadranul unu, adica polarizare directa in care fotodioda se comporta ca o jonctiune p-n normala

- cadranul trei, in regim de polarizare inversa externa sau regim de fotodioda in care curentul este proportional cu iluminarea;

- cadranul patru, in regim de polarizare exterioara nula sau regimul de fotoelement, in care prin fotodioda circula un curent dependent de fluxul luminos incident.

In sistemele optice cele mai intalnite fotodiode sunt fotodetectoarele PIN si fotodetectoarele APD (in avalansa), pentru raspunsul lor rapid, costurile scazute, fotosensibilitatea mare, dar si pentru dimensiunile reduse.

2.2 Fotodetectoare PIN

Dioda PIN este o extensie a diodei cu jonctiune p-n, in care materialul intrinsec dopat este introdus in jonctiunea p-n, crescand latimea regiunii de golire a jonctiunii. Denumirea provine de la structura sa de tip pin, o structura care contine o regiune de semiconductor intrinsec, de mare rezistivitate, intercalat intre doua regiuni puternic dopate cu impuritati. Frecventele limita de lucru ca dioda a structurii pin sunt relativ joase datorita prezentei regiunii intrinseci. La polarizarea directa peste curentul continuu IDC se suprapune curentul de inalta frecventa IHF.

(rel. 29)

Exista o frecventa minima pana la care este indeplinita aceasta relatie. Pentru frecvente mai mici decat aceasta frecventa minima dioda se comporta ca o dioda redresoare.

O tensiune de polarizare inversa mare este aplicata de-a lungul diodei PIN astfel incat regiunea intrinseca sa fie golita complet. In fig. 35 se poate observa functionarea normala a unei diode PIN cu tensiune de polarizare aplicata de-a lungul jonctiunii p-i-n. Electronii din banda de valenta absorb lumina care este incidenta pe materialul semiconductor. Fotonii transfera energia lor excitand electronii din banda de valenta in banda de conductie si lasand goluri in banda de valenta.



Fig. 35 Fotodioda PIN

Proiectarea diodei PIN se face astfel incat perechi de electroni-goluri sa fie generate in mare parte in zona de golire (Fig. 36). Dupa aplicarea tensiunii de-a lungul regiunii de golire, perechile electroni-goluri formate provoaca o curgere a curentului electric intr-un circuit extern.

Fig. 36 Diagrama benzii energetice pentru fotodetector

Daca energia fotonului incident este egala sau mai mare decat energia benzii de golire, atunci este generat un fotocurent.

Energia fotonului incident:

hfc eEg (rel. 30)

unde lungimea de unda

Eg energia benzii de golire

c viteza luminii

e sarcina electronului

Ip (rel. 31)

Fotocurentul Ip rezultat din absorbtia de putere a fotonilor (din ecuatia anterioara)

Po puterea optica, e sarcina electronului, h constanta lui Planck, - frecventa fotonului, - coeficientul de absorbtie, Rf reflexia siliciului.

2.3 Fotodetector APD

Daca se aplica un camp electric mare electronilor generati, se obtine destula energie pentru excitarea mai multor electroni din banda de valenta catre banda de conductie. Apar astfel mai multe perechi electron-gol secundare ce sunt generate de procesul precedent, putand produce la randul lor mai multe perechi electron-gol, fenomen numit avalansa. Acest proces de multiplicare a perechilor de electroni-goluri se numeste multiplicare in avalansa (APD), iar fotodioda care realizeaza aceasta operatiune se numeste dioda de receptie cu castig intern.

2.4 Zgomotul receptorului

Acest zgomot electric datorita fluctuatiilor curentului afecteaza performanta receptorului. Exista doua categorii mari ale zgomotului: zgomotul termic si zgomotul cuantic.

Zgomotul cuantic si zgomotul termic

Din punct de vedere al prelucrarii unui semnal nu este atat de important nivelul (in sensul marimii sale) zgomotului, pe cat este raportul dintre nivelul semnalului util si nivelul zgomotului (raportul semnal/zgomot). Zgomotele nu pot fi inlaturate total din procesul de masurare a unui semnal, dar efectul lor perturbator poate fi diminuat in sensul imbunatatirii raportului semnal/zgomot).

Zgomotul cuantic se datoreaza naturii statistice a producerii si colectarii fotonilor, conducand la mari fluctuatii in circuitul electric.

I(t)=RPintrare IS(t) (rel. 32) curentul indus

I(t)=<Ipd> IS(t) (rel. 33)

unde RPintrare valoarea medie a Ipd

<Ipd> valoarea medie a curentului fotodetectorului

Zgomotul termic (Johnson). Deplasarea purtatorilor de sarcina este un proces statistic cuantic. Caldura, prin favorizarea dezordinii, reprezinta un factor perturbator care determina fluctuatii macroscopice ale starii electrice a sistemului considerat. Zgomotul termic se manifesta in orice element rezistiv de circuit, fiind analogul electronic al miscarii browniene. El este cu atat mai important cu cat temperatura mediului in care se afla o rezistenta parcursa de un curent electric este mai mare. Influenta lui asupra semnalului util se manifesta sub forma unei tensiuni aleatorii care apare la bornele rezistentei.

Fiind vorba de un proces aleator, valoarea medie a tensiunii de zgomot termic este nula:

<uzJ>=0 (rel. 34)

Valoarea patratica medie a tensiunii de zgomot termic este dependenta de temperatura rezistentei (T), de valoarea ei (R) si de domeniul de frecvente in care o calculam (exprimat prin banda de frecvente, Δf). Se calculeaza:

<> = 4kRf (rel. 35)

in care k este constanta lui Boltzmann (1,38*10-23 J/K).

Aplicatie

Pentru o rezistenta de 100 kΩ, aflata la temperatura camerei (300K), marimea tensiunii de zgomot termic in interiorul unei benzi de frecvente de 1 kHz, este: = 0 μV.

Se observa din expresia tensiunii de zgomot termic ca valoarea ei nu depinde de pozitia in spectrul frecventelor a benzii de frecvente considerate, ci numai de largimea ei. Astfel, tensiunea de zgomot termic a unei rezistente de 100 kΩ aflata la temperatura camerei, este 0,41 μV atat in intervalul 10-11 kHz, cat si in intervalul 100-101 kHz. Un astfel de zgomot, a carui marime nu depinde de localizarea intervalului de frecvente considerat, se numeste zgomot alb (white noise).

Zgomotul termic nu poate fi eliminat niciodata. El este independent de forma si tipul rezistentei din circuit. Singura modalitate de limitare a efectului zgomotului termic asupra unui semnal electric este folosirea unor semnale utile cu un spectru cat mai ingust de frecvente.

Metodele de reducere a efectelor zgomotelor asupra semnalelor utile se impart in doua mari categorii: metode hard, prin intermediul carora se intervine asupra semnalului direct in procesul de masurare si metode soft, prin intermediul carora se actioneaza, prin metode de calcul, asupra semnalelor achizitionate si memorate.

Metode HARD:

Ecranarea si pamintarea

Folosirea filtrelor pasive si active

Folosirea amplificatoarelor diferentiale (de curent si tensiune) si de instrumentatie

Modularea semnalelor

Detectia sensibila la faza (detectia sincron)

Metode SOFT:

Medierea (in acelasi punct sau ponderata) a semnalelor memorate

Filtrarea digitala

Metode de corelatie

2.5 BER - Rata de eroare

La transmiterea datelor printr-un canal optic, receptorul trebuie sa fie capabil sa primeasca bitii individuali fara erori. Aceste erori apar atunci cand receptorul nu detecteaza bitul corect. Un receptor omite sa detecteze un bit corect atunci cand in loc de 1 detecteaza 0 si invers, fiind de asemenea sensibil la ratele de transfer. Erorile au o probabilitate de aparitie cu atat mai mare cu cat creste rata de transfer.

BER reprezinta suma probabilitatilor pentru care este transmis 1 si receptat 0, sau este transmis 0 si receptat 1.

BER = P(1)P(0/1) + P(0)P(1/0)  (rel. 36)

P(0/1) probabilitatea de receptionare a unui 0 cand este transmis un 1 

P(1/0) probabilitatea de receptionare a unui 1 cand este transmis un 0 

P(0), P(1) sunt egale cu 1 

P(0/1) si P(1/0) depind de distributia curentului raportat la timp pe parcursul detectarii semnalului. Densitatea de probabilitate a zgomotului asociat cu sistemul afecteaza forma de unda finala a curentului.

Fig. 37 Semnalul original


Semnal

Fig. 38 Distributia zgomotului


Zgomotul (Gaussian)


Semnalul initial suprapus cu zgomotul  Fig. 39 Semnalul final

Spectrul de zgomot poate fi obtinut analitic ca o insumare a functiei de probabilitate a densitatii, care este definita ca derivata de ordinul I a functiei de distributie F(x) din:

F(x) = P(x<X) (rel. 37)

cu x variabila aleatorie

f(x) = (rel. 38)

Atat zgomotul cuantic cat si cel termic pot fi aproximate ca functii de densitate Gaussiene.

Functia densitate de probabilitate a distributiei Gaussiene:

f(x) = ) (rel. 39)

unde este media lui f(x), este varianta lui f(x)

Media unei distributii este definita ca valoarea medie pe care o are acea distributie.

(rel. 40)

K este agal cu media

(rel. 41)



Distributia Gaussiana are media egala cu zero, iar varianta:

(rel. 42)

Se deriveaza si se obtine cantitatea de zgomot cuantic si termic:

(rel. 43)

Varianta zgomotului termic:

(rel. 44)

Functia de eroare

Functia de distributie a unei distributii Gaussiene:

f(x) dx (rel. 45)

Aceasta functie poate fi mapata functiei de eroare (erf)

erf (0) (rel. 46)

erf ( (rel. 47)

Functia de eroare complementara (erfc) este data de:

erfc (rel. 48)

F(x) (rel. 49)

Pentru distributia Gaussiana

BER (rel. 50)

BER depinde de factorul de calitate Q

BER (rel. 51)

Cu cat creste factorul de calitate Q al semnalului, cu atat va scadea BER.

2.6 Sensibilitatea receptorului

BER si factorul Q sunt strans legati de cerinta de putere minima a receptorului.

curentul I1 pentru bitul 1

curentul I0pentru bitul 0

sunt deviatiile standard ale I1 , I0

Q (rel. 52)

Daca puterea bitului 1 este P1, iar puterea bitului 0 este P0

Q (rel. 53)

Puterea receptionata este proportionala cu Q, cu BER si cu rata de transfer. Sensibilitatea receptorului este puterea optica medie necesara pentru a obtine un BER cerut la o rata de transfer data.

2.7 Raportul semnal zgomot (RSZ)

Este definit ca fiind raportul dintre puterea semnalului si puterea de zgomot in domeniul electric. RSZ este proportional cu puterea de intrare la patrat. RSZ poate creste prin cresterea rezistentei de sarcina.

RSZ (rel. 54)

unde F - factorul de proportionalitate pentru cresterea continutului de zgomot termic a receptorului, B - latimea de banda, Pin este puterea de intrare, RL rezistenta de sarcina, T -temperatura.

3 Cuploare

Cele mai simple dispozitive optice sunt cuploarele. Acestea sunt bidirectionale si pasive se pot schimba porturile de intrare si iesire intre ele. Cuploarele au forma NxM, unde N, M sunt numere intregi. Cele mai des folosite sunt cuploarele 2x2, care mai poarta denumirea de cuploare de 3dB, datorita pierderii in putere de 3dB.

Intrarea 1  Iesirea 1


Intrarea 2 Iesirea 2

Fig. 40 Cuplor de 3dB

In monitorizarea porturilor WDM se folosesc cuploarele, dar si la adaugarea in mod pasiv a canalelor intr-o fibra.


2


3

Fig. 41 Cuplaj ghiduri de unda

Un cuplaj de ghiduri de unda este un dispozitiv multiport care permite semnalelor sa se

propage in anumite directii.

4 Filtre optice

4.1 Filtre optice acordabile

Caracteristicile filtrelor

Caracteristicile principale sunt intervalul de acord si timpul de acord. Intervalul de acord precizeaza intervalul de lungimi de unda ce poate fi accesat de filtru. Un interval mare de acord permite sistemelor sa foloseasca un numar mare de canale. Timpul de acord al filtrului inseamna timpul de acord de la o lungime de unda la alta. Filtrele acordabile rapid sunt necesare multor retele locale WDM bazate pe arhitectura emite si selecteaza (broadcast-and-select).

Unele filtre sunt caracterizate de doi parametri: intervalul liber spectral (FSR) si finetea. Filtrul lasa sa treaca orice frecventa care este la o distanta de nde la frecventa aleasa; n este intreg pozitiv.

Finetea unei fibre este raportul intervalului liber spectral (functia de transfer sau forma filtrului trece-banda se repeta singure dupa o anumita perioada) si latimea de banda a canalului, unde latimea de banda a canalului este definita sa fie 3 dB. Numarul de canale intr-un filtru optic este limitat de FSR si de finete. Toate canalele trebuie sa se incadreze intr-un singur FSR. Daca finetea este mare, functiile de transfer sunt inguste, determinand ca mai multe canale sa incapa intr-un FSR.

Fig. 42 Intervalul liber spectral (FSR) si finetea filtrului acordabil capabil sa acordeze N canale diferite

Fig. 43 Cascadarea filtrelor cu FSR diferit

4.1.1 Etalonul

Etalonul este format dintr-o singura cavitate cu doua oglinzi paralele. Lumina de la fibra de intrare ajunge in cavitate si se reflecta de un numar de ori intre oglinzi. Ajustand distanta intre oglinzi, o singura lungime de unda poate fi aleasa sa se propage prin cavitate, in timp ce lungimile de unda ramase interfereaza distructiv. Distanta dintre oglinzi poate fi ajustata mecanic prin miscari fizice ale oglinzilor, sau schimband indicele de refractie al materialului din cavitate.

Intr-un filtru multi-pass, lumina trece prin aceeasi cavitate de mai multe ori, iar in cazul filtrelor multi-cavitate mai multe etaloane cu FSR diferit sunt cascadate pentru a se creste finetea. Filtrul Fabry-Perot este un filtru acordabil mecanic.

Filtrul Fabry-Perot poate fi pus sa acceseze virtual intreaga regiune cu atenuare scazuta a filtrului, fiind o solutie pentru filtrele trece-banda foarte inguste. Acest tip de filtru are un timp de acord de ordinul zecilor de milisecunde fapt datorat acordului mecanic. Acest aspect il face nepotrivit pentru multe aplicatii cu transfer de pachete, unde durata pachetului este mult mai mica decat timpul de acord. Filtrul Fabry-Perot este folosit ca un receptor acordabil in retelele locale WDM prototip.

4.1.2 Lantul Mach-Zehnder

Intr-un interferometru March-Zehnder un spliter separa unda primita in doua ghiduri de unda si un combiner recombina semnalele la iesirea ghidului de unda, aparand o diferenta de faza intre cele doua semnale cand sunt recombinate. Lungimile de unda pentru care diferenta de faza este de 180 sunt rejectate. Construind un lant din aceste elemente va putea fi selectata o singura lungime de unda dorita.

Fig. 44 Structura interferometrului Mach-Zehnder

Delay

 


Acest dispozitiv este fabricat din material semiconductor, avand astfel un cost redus. Timpul de acord la el este de ordinul milisecundelor, iar controlul acordului este unul complex, cerand ca setarea elementului intarziat in fiecare stadiu al lantului Mach-Zehnder sa fie bazata pe setarile din stadiile anterioare ale lantului. Timpul mare de acord se datoreaza elementelor termice folosite pentru implementarea intarzierilor elementelor (delay).

4.1.3 Filtrele acusto-optice

Undele de radio frecventa sunt trecute printr-un traductor (traductorul este un cristal piezoelectric care transforma undele audio in miscari mecanice). Undele audio modifica indicele de refractie al cristalului. Lumina incidenta pe traductor se refracta sub un unghi care depinde de unghiul de incidenta si de lungimea de unda a luminii. Prin modificarea undelor de radio frecventa se poate alege o singura lungime de unda care va trece prin material in timp ce celelalte vor interfera distructiv.

Timpul de acord al filtrului acusto-optic este limitat la 10, permitand in jur de 100 de canale. Daca mai multe unde de radio frecventa trec prin suprafata simultan, se pot filtra mai multe lungimi de unda, permitand filtrului un acord pe mai multe canale simultan. Semnalul primit este superpozitia tuturor lungimilor de unda primite.

Un dezavantaj al acestui filtru este faptul ca din cauza functiei mari de transfer nu poate filtra crosstalk-ul din canale adiacente atunci cand spatiul dintre ele este mic. Folosirea unui filtru acusto-optic intr-un sistem cu multiple lungimi de unda constrange spatiul dintre canale, limitandu-se astfel numarul de canale permise.

4.1.4 Filtre electro-optice

La filtrul acusto-optic timpul de acord este limitat de viteza sunetului. La filtrul electro-optic se folosesc astfel cristale cu indici de refractie ce pot fi modificati prin aplicarea unui curent electric. Curentul este indus cu ajutorul electrozilor care raman in cristal. Curentul schimba indicele de refractie al cristalului ceea ce permite trecerea unor lungimi de unda, urmand ca celelalte sa interfereze distructiv. Timpul de acord este limitat doar de viteza electronilor, fapt care face ca acesta sa fie de ordinul catorva nanosecunde, iar intervalul de acord ramane mic la 16 nm (aproximativ 10 canale).

4.1.5 Filtre cu cristale lichide Fabry-Perot

Structura filtrului cu cristal este asemanatoare cu structura filtrului Fabry-Perot, diferenta fiind facuta de cavitatea din cristale lichide (LC). Indicele de refractie al cristalelor lichide este modulat de un curent electric pentru a filtra lungimea de unda dorita. Timpul de acord este de ordinul microsecundelor, iar intervalul de acord este de 30-40 nm. Acest tip de filtre sunt ieftin de fabricat, necesitand o putere scazuta.

Filtre

Intervalul de acord (nm)

Timpul de acord

Fabry-Perot

1-10 ms

Acusto-optice

s

Electro-optice

1-10 ns

Cu cristale lichide Fabry-Perot

s

4.2 Filtre fixe

Filtre cu retea de difractie

Reteaua de difractie este un strat plat din material transparent (sticla sau plastic) cu un rand de santuri. Reteaua separa lumina in lungimile de unda componente prin reflectarea luminii incidente pe santuri la toate unghiurile. Alternativ, unele retele sunt mai transmisive decat reflexive si sunt folosite in lasere acordabile.

O implementare alternativa este ruterul ghid de unda cu retea de difractie (WGR - waveguide grating row) in care este folosita o singura intrare.

Filtre cu retea de difractie Bragg

Intr-o retea Bragg este fotoindusa in mod direct o variatie periodica a indicelui de refractie in miezul fibrei optice. Reteaua Bragg reflecta o lungime de unda data a luminii inapoi catre sursa, in timp ce celelalte lungimi de unda vor trece. Reflexia si latimea benzii spectrale sunt doua caracteristici primare ale retelei Bragg. Latimea benzii spectrale tipica este de ordinul 0.1 nm.

Daca introducem o retea in miezul fibrei optice aceasta va determina o pierdere de insertie mai scazuta. Un dezavantaj este ca indicele de refractie al retelei variaza cu temperatura, cresterea ei provocand reflectarea mai multor lungimi de unda.

Filtre cu film subtire de interferenta

Filtrele cu film subtire de interferenta ofera o alta abordare de filtrare a una sau mai multe lungimi de unda dintr-un numar de lungimi de unda. Acestea sunt similare cu filtrele cu retea Bragg, cu exceptia ca sunt fabricate prin depunerea de straturi alternante de materiale cu indice de refractie mic, respectiv mare. Tehnologia de film subtire are stabilitate termica scazuta, pierderi de insertie mari si profil spectral mic.






Politica de confidentialitate



DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 1695
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2021 . All rights reserved

Distribuie URL

Adauga cod HTML in site