עקרון העבודה של משדר אופטי

כיצד פותח ופועל המשדר האופטי

השימוש בגלי אור להעברת אותות טלוויזיה ומידע מידע הוא מדע וטכנולוגיה חדשים שפותחו בסוף המאה ה-20. המראה שלו אפשר את העולם'תעשיית המידע להתפתח במהירות. כעת טכנולוגיית השידור של סיבים אופטיים מתפתחת במהירות מעבר לאנשים'הדמיון של. מהירות השידור האופטית שלו גבוהה פי 100 מאשר לפני 10 שנים, וההערכה היא שהיא תגדל בכפי 100 בפיתוח עתידי. עם פיתוח מתמשך של טכנולוגיית שידור סיבים אופטיים, ניתן לבצע ריבוי, דה-מולטיפלקס, ניתוב ומיתוג בתחום האופטי. הרשת יכולה להשתמש במשאבי רוחב הפס העצומים של סיבים אופטיים כדי להגדיל את קיבולת הרשת ולממש את השידור ה"שקוף" של שירותים מרובים.

מערכת השידור האופטית מורכבת בעיקרה ממשדרים אופטיים, מקלטים אופטיים, מפצלים אופטיים, כבלי סיבים אופטיים ורכיבים נוספים.

I. עקרון בסיסי של שידור סיבים אופטיים של אותות אופטיים

שידור אופטי היא טכנולוגיה המשדרת בצורה של אותות אופטיים בין השולח למקלט. תהליך העבודה של שידור אופטי של אותות טלוויזיה מתבצע בין המשדר האופטי, הסיב האופטי והמקלט האופטי; המשדר האופטי בחדר המחשב המרכזי ממיר את אות הטלוויזיה ה-RF המבוא לאות אופטי, המורכב מממיר חשמלי/אופטי (מתמר חשמלי-אופטי (E/O) הושלם, והאות האופטי המומר מתקבל על ידי מכשיר קבלת מדריך שידור סיבים אופטיים (מקלט אופטי), והמקלט האופטי ממיר את האות האופטי המתקבל מהסיב האופטי לאות חשמלי לכן, העיקרון הבסיסי של אות השידור האופטי הוא כל התהליך של המרה חשמלית/אופטית ואופטית/חשמלית, הנקרא גם קישור אופטי.

שיטת השידור האופטית הנוכחית משתמשת באפנון עוצמת האור. לדוגמה, מכשיר פולט אור מבוסס לייזר פולט מה שנקרא אור קוהרנטי עם אותו פאזה. לכן, מאומצת שיטת אפנון המשנה את עוצמת האור הכוללת. הוא משתמש בשינוי הליניארי של ההספק האופטי הפלט התואם לשינוי של זרם אות הכניסה של הממיר החשמלי/אופטי. מְאַפיֵן.

במתמר אופטי-חשמלי (O/E), זרם המוצא פרופורציונלי לעוצמת האות האופטי המבוא. לכן צורת הגל של זרם המוצא של הממיר האופטי/חשמלי דומה לצורת גל זרם הכניסה של הממיר החשמלי/אופטי, ומשיגה את מטרת העברת האות.

אז איך מנחה הסיב האופטי את האות האופטי? כיום, הסיב האופטי המשמש במערכת הטלוויזיה בכבלים הוא סיב אופטי גלילי, המורכב מגליל סיב אופטי וחיפוי והוא חומר זכוכית קוורץ. החיפוי ממלא את התפקיד של סוגר בחוזקה את האור בסיב האופטי, הגנה על הליבה ושיפור חוזק הסיב האופטי עצמו. תפקידה של ליבת הסיבים הוא להעביר אותות אופטיים. למרות שגם הליבה וגם החיפוי עשויים מחומרי זכוכית קוורץ, ישנם הבדלים בהרכב הסימום של השניים במהלך הייצור, מה שמוביל לאמדי שבירה שונים (הליבה היא 1.463~ 1.467, והחיפוי הוא 1.45~1.46), כמובן, קשור גם לחומרים השונים בהם נעשה שימוש. כאשר מקור האור הנפלט מהלייזר נכנס לליבה של הסיב, כאשר האור נכנס לממשק החיפוי, כל עוד זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית, ההחזר הכולל יתרחש בליבה, והאור לא ידלוף לתוך החיפוי. האות האופטי בליבה ימשיך להתפשט ללא הפרעה עד שהוא יופנה למקלט האופטי. תהליך זה הוא העיקרון הבסיסי של העברת אותות אופטי בסיבים אופטיים.

II. עיוות בשידור אופטי

כאשר אור מועבר בסיב אופטי, יתרחש גם עיוות מסוים. הסיבות לעיוות הן כדלקמן:

(1) במערכת השידור של סיבים אופטיים, עקב אי-ליניאריות של מאפייני ההמרה החשמלית/אופטית של הלייזר המוליך למחצה, האות האופטי של הפלט אינו עולה בקנה אחד עם השינוי של זרם העירור, וכתוצאה מכך עיוות, הנקרא עיוות אפנון. הערך של אינדקס אפנון M אסור להיות גדול מדי. יש צורך לבחור משדר אופטי עם ביצועים גבוהים וטכנולוגיית עיבוד טרום-עיוות חזקה. טכנולוגיית עיבוד טרום-עיוות משתמשת בתכנון מלאכותי כדי ליצור עיוות מראש כדי לשפר את הליניאריות המודולציה, כדי לבטל ולהפחית את מערכת השידור של סיבים אופטיים. המטרה של CSO ו-CTB.

(2) במערכת השידור האופטית, מכיוון שלמגבר ה-RF המניע ולמגבר ה-RF המקבל יש סיכוי קטן לעיוות, הפוטודיודת PIN הליניארית יכולה להתעלם מהעיוות הקל מכיוון שרמת האות אינה גבוהה מדי. הסיבה העיקרית היא עיוות של מאפייני אפנון לייזר מוליכים למחצה ופיזור סיבים.

(3) כאשר הלייזר מווסת את עוצמת האור, אורך הגל של האור ישתנה, ויופיע אפנון תדר נוסף אשר ירחיב את תדר האות ויגרום לאפקט ציוץ המתבטא בעיקר בעיוות CSO.

(4) מאפייני הפיזור של הסיב האופטי יגרמו להבדלים בהשהייה הקבוצתית של אורכי גל שונים, וכתוצאה מכך לעיוות הנגרם על ידי זמני הגעה לא עקביים למסוף, בעיקר עיוות CSO.

העיוות המיוצר במערכת ההולכה בסיבים אופטיים הוא בעיקר עיוות CSO, ומידת עיוות ה-CTB קטנה בהרבה מעיוות CSO. על מנת להבטיח את איכות השידור של המערכת ולהפוך את יחס הספק לרעש של המערכת ואת ביצועי העיוות בטווח סביר, האמצעים הננקטים הם כלליים. השתמש במחווני CNR כדי לאזן מחווני CSO ו-CTB. אם תגדיל או תקטין את ערך ה-CNR ב-1dB, אזי ה-CSO יתדרדר או ישתפר ב-1dB, ואינדקס ה-CTB יתדרדר או ישתפר ב-2dB.

III. עקרונות העבודה של המשדר האופטי

המכשיר האופטי החשוב ביותר במשדר האופטי הוא הלייזר המוליך למחצה. למעשה, מדובר בדיודה לייזר (LD). כמובן, חלקם אינם משתמשים בדיודות לייזר אלא משתמשים בדיודות פולטות אור מוליכים למחצה (Light Emitting Diode, LED). שֶׁל.

משדר אופטי של 1310 ננומטר מאמץ בדרך כלל מצב אפנון ישיר (אפנון פס-צד-משרעת, מצב VSB-AM). תפקידו להמיר אותות חשמליים לאותות אופטיים, שניתן להשיג על ידי שינוי אספקת החשמל של הלייזר המוזרק דרך מעגל חיצוני. מעגל ההטיה שהוא מגדיר יכול לספק את ספק הכוח ההטיה הטוב ביותר עבור הלייזר. ללייזר תהיה תפוקת כוח שונה כאשר זרם ההטיה שונה. כדי להבטיח תפוקה יציבה של כוח אופטי, יש לתכנן מעגל בקרה אוטומטי עבור כוח אופטי וטמפרטורת לייזר, כגון שימוש במיקרו מחשבים כדי להשיג את מצב העבודה הטוב ביותר של שליטה אוטומטית של המשדר האופטי.

לייזרים נמצאים בשימוש נרחב כמתנדים אופטיים (כלומר, מכשירים פולטי אור), המסתמכים על האינטראקציה בין מצב האנרגיה של החומר המדיום בלייזר לבין האור.

על מנת שהלייזר יעבוד, חייבת להיות כמות מסוימת של זרם. יש קשר מסוים בין גודל הזרם הזה לבין עוצמת האור. כאשר הזרם גדל, עוצמת האור עולה בחדות. זה מצביע על כך שהלייזר התחיל לעבוד. זה גורם ללייזר לעבוד. הזרם נקרא זרם הסף. ככל שהוא קטן יותר, כך ייטב, מכיוון שהוא כבר איפשר ללייזר לעבוד. אם זרם הסף ממשיך לעלות, יווצר אזור הרוויה במוצא. כאשר זרם אזור הרוויה מגיע לערך מסוים, האות ישודר. מבחינת ההספק הנדרש להעברת סיבים אופטיים, הספק המוצא של מספר מגה וואט באזור הליניארי יכול לעמוד בדרישות של שידור אותות ומידע למרחקים ארוכים. בנוסף לכמות עוצמת האור, איכות השידור של האור קשורה גם לבעיות כמו ספקטרום ורעש.

ספקטרום אורכי הגל הרב אינו מתאים לשידור של אותות אנלוגיים באיכות גבוהה. גם אם הוא עובד במצב יחיד, לספקטרום הפליטה שלו יש רוחב. ככל שהרוחב צר יותר, גל האור נעשה טהור יותר והוא הופך להיות קוהרנטי יותר בזמן. כלומר גלי אור עם קוהרנטיות טובה. גל האור בעל קוהרנטיות טובה אינו זקוק לעדשות והתקנים אחרים כדי לכנס אותו לכתם קטן, והוא מתאים יותר לשכיחות של סיבים אופטיים.

IV. עקרונות העבודה של המקלט האופטי

המרכיב העיקרי של המקלט האופטי הוא הפוטו-גלאי, כלומר הפוטודיודה ברגישות גבוהה (PIN). הפוטודיודה משתמשת באפקט הפוטואלקטרי של המוליך למחצה כדי להשלים את זיהוי האות האופטי כך שהאות האופטי ישוחזר לאות הטלוויזיה RF, ולאחר מכן אות ה-RF לאחר הגברה ושליטה ברמת ה-AGC, אות ה-RF המוסמך יוצא עבור הפצת רשת.

הטכנולוגיות העיקריות של מקלטים אופטיים הם C/N, C/CTB ו-C/CSO. שלושת האינדיקטורים הטכניים הללו נקבעים כולם על ידי הביצועים של מודול ההמרה הפוטואלקטרי. במקרה של אותה קלט כוח אופטי, רמת ה-RF של פלט ההמרה שונה. כאשר יעילות ההמרה של המודול הפוטואלקטרי גבוהה, הספק המוצא שלו גם אם הרמה גבוהה, מדד ערכי ה-C/N המובא על ידו טוב, ולהיפך, מדד ערכי ה-C/N הופך גרוע יותר. שני האינדיקטורים הטכניים של C/CSO ו-C/CTB נקבעים על ידי הליניאריות של המודול הפוטואלקטרי. מודולים פוטו-אלקטריים באיכות גבוהה מאפשרים טווח עוצמת קליטה רחב יותר תחת אותם מחווני C/CSO ו-C/CTB.

V. סיכויי פיתוח של מכשירים אופטיים

עם העדכון המתמיד של טכנולוגיית שידור סיבים אופטיים ברשתות פס רחב ושיפור מתמיד של שירותים רב תפקודיים, הדרישות למאפייני השידור של מכשירים אופטיים וסיבים אופטיים הולכות וגדלות. סוף סוף מגיע עידן סיבים אופטיים שמחליפים חוטי נחושת. בעקבות עידן המידע עם הופעתו, סיכויי הפיתוח של טכנולוגיית שידור אופטי רחבים מאוד.

בחירה ושימוש במשדר אופטי

המשדר האופטי הוא ציוד הליבה של מערכת העברת הכבלים האופטיים. תפקידו לווסת אופטית את קלט האות החשמלי של טלוויזיה בכבלים בתדר רדיו למשדר האופטי כדי להשיג המרה חשמלית ואופטית (E/O), ולשלוח אותות אופטיים רציפים, יציבים ואמינים למערכת הכבלים האופטיים. סוגי המשדרים האופטיים הקיימים כיום בשוק: על פי שיטות האפנון השונות שלהם, הם מתחלקים לשני סוגים: משדרים אופטיים בעלי אפנון ישיר ומשדרים אופטיים בעלי אפנון חיצוני. משדרים אופטיים עם אפנון ישיר משמשים בעיקר במערכות סיבים אופטיים של 1310nm, ומשדרים אופטיים עם אפנון חיצוני משמשים בעיקר במערכות סיבים אופטיים של 1550nm. לא משנה אם מדובר במשדר אופטי בעל אפנון ישיר או מאופנן חיצוני, מרכיב הליבה שלו מורכב מלייזרים.

לווסת ישירות את משדר הלייזר

1. הרכב

הרכב המשדר האופטי האופטי הישיר, בנוסף לרכיבי הליבה DFB לייזר, ישנם אספקת חשמל, מעגל הטיית לייזר, מעגל לייזר התחלה איטית, מעגל הגנה מפני עומס יתר ומעגל הגנה על כונן, מעגל בקרת כוח וקירור, אור מעגל זיהוי, מעגל פיצוי עיוות, שבב photodetector (PIN) (לזיהוי כוח אופטי ובקרת הספק אוטומטי), מקרר מוליכים למחצה ותרמיסטור לטמפרטורה אוטומטית דו-כיוונית בקרה (ATC) וכו'.

2. תהליך עבודה

אות הכניסה של המשדר האופטי הוא אות תדר הרדיו של הטלוויזיה (RF). בקצה הקדמי, אותות RF מרובים מעורבבים לאות אחד על ידי מרובה ולאחר מכן נשלחים לכניסה של המשדר האופטי. לאחר הגברה על ידי קדם מגבר, מדובר בהנחתה נשלטת אלקטרונית, פיצוי עיוות ובקרת רמת הספק אוטומטית. , ולאחר מכן הניע את שבב הלייזר כדי לבצע אפנון חשמלי/אופטי, ולהמיר את האות החשמלי לאות אפנון אופטי. הוספת מבודד אופטי לקצה הפלט יכולה להפחית במידה ניכרת את השפעת גל האור המוחזר מהכבל האופטי על הלייזר. האות האופטי נשלח לכבל האופטי דרך המפרק הנייד האופטי, והאות האופטי מועבר לכל נקודה אופטית דרך הכבל האופטי.

ניתן לראות שעוצמת השידור והעיוות הלא ליניארי של הלייזר תלויים בזרם ההטיה (IO), ולכן המשדר האופטי מצויד במעגל ההטיה ובמעגל פיצוי העיוות של הלייזר כדי להבטיח את יציבות האינדקס הלא ליניארי פלט שידור.

כאשר טמפרטורת הלייזר עולה, הסף יגדל, עוצמת האור הפלט הרווי תקטן, והטווח הליניארי של עקומת ה-PI יקטן (כלומר, הטווח הדינמי העצמי 2 יקטן). על מנת להבטיח שהמשדר האופטי תמיד יעבוד כרגיל, יש לוודא שהלייזר פועל בטמפרטורה קבועה (בדרך כלל 25תוֹאַרג). מצנן המוליכים למחצה והתרמיסטור המשמשים לבקרת טמפרטורה אוטומטית דו-כיוונית (ATC) של המשדר האופטי מובטחים לעבוד בטמפרטורה קבועה של 25תוֹאַרC.

יש מיקרו-מעבד במשדר האופטי, ונתוני מצב העבודה הטובים ביותר של הלייזר מאוחסנים בשבב. ניתן להפעיל את הלייזר באיטיות וניתן לנתק אוטומטית את זרם כונן הטלוויזיה RF כדי להגן על הלייזר. המתגים השונים בפאנל הקדמי של המשדר האופטי נשלטים על ידי מיקרו-מעבד.

שינויי טמפרטורה והזדקנות המכשיר יגרמו לשינויים בזרם סף הלייזר וביעילות ההמרה הפוטואלקטרית. אם אתה רוצה לשלוט במדויק על הספק המוצא האופטי של הלייזר, עליך לפתור זאת משני היבטים: האחד הוא לשלוט בזרם ההטיה של הלייזר כך שהוא עוקב אוטומטית אחר הסף. שינוי הזרם מבטיח שהלייזר עובד תמיד במצב ההטיה הטוב ביותר; השני הוא לשלוט על המשרעת של זרם אפנון הלייזר כדי לעקוב אוטומטית אחר השינוי ביעילות ההמרה החשמלית והאופטית. בקרת הספק אוטומטית משלימה את שתי המשימות לעיל כדי להבטיח שהלייזר מוציא כוח אופטי מדויק.

משדר אופטי בעל אפנון חיצוני

המשדר האופטי בעל אפנון חיצוני מורכב מהמאפנן החיצוני, לייזר, מעגל בקרת לייזר, מעגל בקרת אפנון, מיקרו-מעבד, מעגל טרום עיוות, פוטו-גלאי, מחליש אותות RF, מגבר, ספק כוח וכו'.

3. השוואה בין משדרים אופטיים של אפנון ישיר ושל אפנון חיצוני

משדרי אפנון ישיר משמשים בעיקר עבור לייזרים DFB. ללייזרי DFB יש ליניאריות טובה ויכולים להשיג ערכי CTB ו-CSO טובים יותרללא פיצוי של מעגלים טרום עיוותים. עם זאת, עקב אפנון ישיר, יש אפנון תדר נוסף ומחווני עיוות לא ליניארי (במיוחד ערך CSO) קשה להיות גבוהים מאוד.

למשדר DFB יש ביצועים יציבים, מבנה פשוט ומחיר נמוך, כך שהוא נמצא בשימוש נרחב.

הספק של המשדר האופטי האופטי הישיר בדרך כלל אינו גדול מדי, בתוך 18nw, לכן, מרחק השידור מוגבל, והוא משמש בדרך כלל ברשתות הפצה מקומיות וברשתות שידור כבלים אופטיים ברמת העיר. סוג זה של משדר אופטי משמש בעיקר ברשתות סיבים אופטיים של 1310nm, והנחתת הסיבים האופטיים של 1310nm היא 0.35db/km, כך שמרחק השידור המרבי אינו עולה על 35 קילומטרים.

משדר אופטי מאופנן חיצוני: הספק פלט גבוה, עד 2×20mw או יותר (שתי יציאות), רעש נמוך וללא עיוות CSO שנגרם על ידי השילוב של אפנון תדר נוסף ופיזור סיבים בדומה ל-LD. לכן, הוא משמש לעתים קרובות בשידור למרחקים ארוכים של מערכות קוויות בקנה מידה גדול. משדרים אופטיים עם אפנון חיצוני משתמשים בדרך כלל בלייזרי YAG. לאחר שלייזרי YAG עוברים אפנון חיצוני, הליניאריות ירודה מאוד, ויש להשתמש במעגלי עיוות מראש כדי לפצות. בגלל פחות פיזור, המשדר האופטי של YAG מתאים מאוד לסיבים אופטיים באורך גל של 1550nm, המשמשים בעיקר ברשתות סיבים אופטיים של 1550nm. אור YAG מועבר ברשת הסיבים האופטיים של 1550nm, אשר ניתן להשתמש בה להגברה וממסר. לסיב האופטי 1550nm יש הנחתה קטנה (0.25db/km), כך שניתן להשתמש במשדר האופטי של YAG לשידור למרחקים ארוכים במיוחד. המשדר האופטי בעל אפנון חיצוני משמש ברשת הסיבים האופטיים 1310nm, ומרחק השידור יכול להגיע ל-50 קילומטרים, שהוא גם מהיר יותר ממרחק השידור של המשדר האופטי בעל אפנון ישיר. עם זאת, משדרים אופטיים עם אפנון חיצוני הם יקרים, ורשתות סיבים אופטיים לשידור למרחקים קצרים משתמשות רק לעתים נדירות במשדרים אופטיים עם אפנון חיצוני

4. האינדיקטורים הטכניים של המשדר האופטי

האינדיקטורים הטכניים של המשדר האופטי הם הבסיס לבחירת המשדר האופטי, ופרמטרי הביצועים הטובים של המשדר האופטי משפיעים ישירות על האינדיקטורים הטכניים הטובים של כל מערכת הטלוויזיה בכבלים.

5. בחירת המשדר האופטי

חשוב מאוד לטכנאי טלוויזיה בכבלים להבין ולשלוט בהרכב, עקרון העבודה ופרמטרי הביצועים של משדרים אופטיים, מכיוון שרק על ידי שליטה בעקרונות העבודה הבסיסיים ובמדדי הביצועים הטכניים של משדרים אופטיים, ניתן להשתמש במשדרים אופטיים ביעילות ובסבירות. תחזוקה יומיומית טובה.

נכון לעכשיו, ישנם יצרנים זרים ומקומיים רבים של משדרים אופטיים. ישנם סוגים נוספים של משדרים אופטיים, וגם מחווני הביצועים והמחירים העצמאיים שונים מאוד. בחירה סבירה היא תועלת רבה להבטחת איכות רשת הסיבים האופטיים והפחתת עלות בניית הרשת. יחס ביצועים-מחיר גבוה, מערכת אבטחת איכות אמינה, ואחריות שירות טוב לאחר המכירה הם הבחירה של ציוד אופטי