Оптоэлектронные технологии инфокоммуникаций и особенности проектирования волоконно-оптических линейных трактов

Функциональная схема трансивера показана на рисунке 1. Оптический сигнал со стороны клиента в оптическом приемнике (ОПр) преобразуется в электрический. Далее этот сигнал управляет оптическим передатчиком (Опер), который отвечает требованиям ITU для технологии WDM.
Рисунок 1 - Функциональная схема трансивера
Трансиверы выполняются в виде модулей типов: WDM SFP, SFP, CWDM SFP, DWDM SFP, MultiRate SFP, MultiRate WDM, XENPAK, SFP+, XFP, X2. Основными частями трансиверов являются оптические передатчики и оптические приемники.
Оптические передатчики реализуются в форме электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. Обобщенная структурная схема оптического передатчика приведена на рисунке 2, где приняты следующие обозначения:
ФМС — формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения, к виду, обеспечивающему оптимальный режим работы оптического модулятора или источника оптического излучения;
МОИ – модулятор оптического излучения, здесь осуществляется модуляция одного из параметров оптического излучения (интенсивности, частоты, фазы, поляризации и др.);
ИОИ — источник оптического излучения;
ОР – оптический разветвитель, обеспечивающий отвод оптического сигнала на СРР (стабилизатор режима работы источника оптического излучения),
ЛОС – линейный оптический сигнал (модулированное оптическое излучение, передаваемое по оптическому кабелю;
СВД – схема встроенной диагностики, предназначенная для контроля работоспособности ПОМ;
СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель, обеспечивающие ввод оптического сигнала в оптический кабель;
ОВ – оптическое волокно.
Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема оптического передатчика
Основным блоком, определяющим качество функционирования оптических передатчиков, является источник оптического излучения. К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны оптического излучения должна соответствовать сетке частот СDWM и DWDM; достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно; возможность модуляции оптического излучения различными способами; достаточно большой срок службы; минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность; минимальные габариты и вес; простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик.
Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры).
Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. Интенсивное развитие полупроводниковых источников света связано, в первую очередь, с уникальным сочетанием важных для ВОСП положительных свойств, таких как непосредственное преобразование энергии электрического тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры.
Лазерные источники оптического излучения. Для ВОСП, использующих мультиплексирование с разделением по длине волны, или волновое мультиплексирование (WDM), требуются динамически стабильные одночастотные лазеры с очень узкой спектральной линией. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с фиксированной волной излучения трех типов:
с распределенной обратной связью (РОС или Distributed FeedBack, DFB);
с распределенной брэгговской решеткой (РБО или Distributed Brag Reflector, DBR);
на вертикальных резонаторах (Vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL).
В генераторах первых двух типов для получения излучения узкого спектра используются волоконные решетки Брэгга (Fiber Bragg Gratings). Они, в сущности, представляют собой оптический интерферометр, встроенный в волокно. Волокно, легированное некоторыми веществами (обычно германием), может изменять свой показатель преломления под воздействием ультрафиолетового света. Если облучить такое волокно ультрафиолетовым излучением с определенной пространственной периодической структурой, то волокно превращается в своеобразную дифракционную решетку. То есть, такое волокно будет отражать свет определенного, заранее заданного диапазона длин волн, и пропускать свет всех остальных длин волн. Отраженный свет и является выходным сигналом генератора (рисунок 3).
Рисунок 3 - Принцип работы брэгговской решетки
Наиболее широко в ВОСП применяются лазеры с длиной волны излучения 1300 и 1550 нм. Они используют диапазон рабочих температур до 100°С без охлаждения и имеют мощность излучения до 50 мВт. По спектральному составу лазеры, используемые в ВОСП, могут иметь как многомодовый, так и одномодовый (а в пределе одночастотный) режим генерации в зависимости от скорости и дальности передачи информации. Самыми перспективными источниками излучения для ВОСП являются инжекционные лазеры (ИЛ), так как они сочетают в себе свойства генератора несущей частоты и модулятора в широком диапазоне частот.
В отличие от обычных лазеров, в лазерах с РОС резонатор образован не на излучающих торцах, а на гранях, параллельных оптической оси (рисунок 4).
Рисунок 4 - Структура РОС лазера
В генераторах DFB брэгговская решетка формируется в активной зоне лазера, поэтому технология изготовления таких устройств достаточно сложна. Ширина спектра таких генераторов обычно составляет менее 100МГц.
У генераторов DBR решетка расположена в неактивной зоне лазера, поэтому эффективная длина резонатора может быть существенно больше, чем у генераторов DFB, а полоса излучения - уже, до 1 МГц.
В лазерах VCSEL генерация происходит поперек p-n перехода. Преимуществом таких генераторов является высокая технологичность: на одном чипе можно разместить матрицу лазеров, каждый из которых может излучать заданную длину волны в соответствии с требуемым планом частот.
Кроме фиксированных, существуют также перестраиваемые генераторы, которые используются для тестирования систем WDM, а также для построения оптических кросс-коннекторов. В перестраиваемом генераторе чаще всего используется внешний резонатор на основе дифракционной решетки, поворот которой вызывает изменение длины выходной волны.
При этом излучение с рабочей длиной волны распространяется не вдоль оси кристалла, а переотражается от граней кристалла, на которых образована дифракционная решетка. (Решетка может формироваться путем травления или облучения грани ультрафиолетовым излучением через специальную маску)

. Такая конструкция резонатора позволяет в несколько десятков раз сузить ширину спектральной линии.
Но, кроме ширины линии, для систем DWDM важна стабильность частоты, с тем чтобы излучение одного канала не попадало в рабочую область соседнего. В то же время, пропускание больших токов через кристалл приводит к его разогреву и, вследствие этого, к флуктуации частоты генерации. Для решения этой проблемы была предложена схема лазера (а точнее, передатчика) с внешним модулятором и оптическим усилителем. При такой схеме лазер может быть маломощным, обладать хорошей системой стабилизации частоты и мощности излучения и работать в непрерывном режиме, что существенно облегчает задачу стабилизации. А модуляция излучения осуществляется электрооптическим модулятором, который не влияет на центральную частоту. Электрооптический модулятор представляет собой двулучепреломляющий кристалл (т.е., его коэффициент преломления зависит от направления распространения излучения), к двум граням которого прикладывается модулирующее напряжение. Основная оптическая ось кристалла совпадает с направлением распространения излучения. В качестве рабочего тела модулятора чаще всего используют ниобат лития (LiNbO3). Этот материал имеет более чем на порядок меньшее управляющее напряжение, нежели используемые ранее дигидрофосфат натрия или калия. Электрооптические модуляторы были созданы достаточно давно, практически одновременно с первыми газовыми лазерами. Однако в то время они не нашли применения, как не нашли применения, из-за большого затухания в атмосфере, и открытые линии, для которых они разрабатывались.
Таким образом, один из вариантов оптической схемы современного передатчика системы DWDM с внешним резонатором лазера показан на рисунке 5.
Рисунок 5 - Передатчик с внешним резонатором
Кроме того, для увеличения стабильности частоты генерации применяют термостабилизацию активного кристалла и модулятора. Стабилизация температуры с точностью + 0.1°С обеспечивает стабильность длины волны генерации не хуже + 0,01 нм.
Методами интегральной оптики созданы недорогие и удобные в эксплуатации оптические передающие модули, объединяющие в одном кристалле лазер, оптический модулятор и полупроводниковый ОУ. Разработаны также оптические передающие модули, объединяющие мультилазеры, независимо генерирующие сигналы на нескольких длинах волн, мультиплексор и полупроводниковый оптический усилитель.
Основными характеристиками источников оптического излучения являются: спектральная характеристика излучения (рисунок 6); ватт-амперная характеристика Wo=f(Iн), описывающая зависимость мощности оптического излучения Wo от тока накачки Iн (рисунок 7 а) и от изменения температуры окружающей среды (рисунок 7 б); диаграмма направленности, представляющая пространственную характеристику излучения (рисунок 8). После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно.
Рисунок 6 - Спектральная характеристика одномодового источника оптического излучения
Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA — диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излучение, часть излучения не попадает в волокно.
Рисунок 7 - Ватт-амперные характеристики источников оптического излучения
Рисунок 8 - Диаграмма направленности лазерного диода
Как отмечалось ранее, трансиверы выполняются в виде модулей. Ниже приводится описание некоторых модулей.
SFP модули (Small Form-factor Pluggable — компактный сменный форм-фактор) это компактные оптические трансиверы. "Классические" SFP модули используются для организации двунаправленной передачи данных по двум одномодовым или многомодовым волокнам (по одному волокну для каждого направления). SFP модуль устанавливается в активное телекоммуникационное оборудование и служит оптическим интерфейсом (например, коммутаторов, маршрутизаторов и т.д.). SFP модули обеспечивают передачу данных по разным протоколам: SONET/SDH, Gigabit Ethernet, Fibre Channel и другие. На сегодняшний день SFP модули это наиболее часто встречающийся тип трансиверов, пришедший на смену модулям GBIC. SFP модули имеют меньшие размеры, что позволяет более плотно располагать порты на оборудовании, до 48 портов на один 19'' RU. Для мониторинга параметров SFP модулей используется функция DDM (Digital Diagnostic Monitoring). Данная функция позволяет в режиме реального времени контролировать параметры SFP модулей: мощность входящего сигнала (RX), мощность исходящего сигнала (TX), температурные параметры работы модуля. Изменения данных параметров позволяют судить об износе оптической системы и состоянии трассы в целом. На SFP модулях устанавливаются приемники и передатчики, которые отличаются в зависимости от дальности работы SFP модуля (мощности сигнала), типа используемого волокна, используемых длин волн и ширины спектра. Двухволоконные оптические SFP модули, как правило, делятся на три категории: SX, LX/LH, ZX, а так же трансиверы DWDM/CWDM. Так же можно выделить несколько разновидностей SFP модулей:
- двухволоконные SFP;
- одноволоконные SFP (WDM);
- CWDM SFP;
- мультирейтовые SFP.
В зависимости от задачи используется конкретный тип SFP модулей, в одном устройстве могут быть установленный SFP модули разных типов.
WDM SFP (Eng.: Small Form-factor Pluggable — компактный сменный форм-фактор) являются компактными оптическими трансиверами. Модули используются для двунаправленной (дуплексной) передачи данных по одному одномодовому (Single Mode) оптическому волокну. Модуль выступает в качестве оптического интерфейса для активного оборудования (коммутатора, маршрутизатора, либо другого оборудования). SFP модули поддерживают SONET/SDH, Gigabit Ethernet, Fibre Channel и другие протоколы передачи данных. SFP модули пришли на замену использовавшимся ранее модулям GBIC. Они обладают более компактным дизайном и возможностью организации более плотного расположения портов на один стандартный 19'' юнит (до 48 портов). Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используются SFP модули с функцией DDM (Digital Diagnostic Monitoring). Функция DDM позволяет в режиме реального времени контролировать параметры SFP модуля: мощность входящего сигнала (RX), мощность исходящего сигнала (TX), температурные параметры работы модуля. Изменения данных параметров позволяют судить об износе оптической системы и состоянии трассы в целом.
Рисунок 9 - Внешний вид модулей WDM SFP
На модуле установлена оптическая сборка типа BOSA (Bi-directional Optical Sub Assembly), позволяющая осуществлять передачу и прием данных на двух разных длинах волн по одному одномодовому оптическому волокну