Реферат: Оптоволоконные линии связи

1.   Обзор существующих методов передачи на волоконно-оптических системахпередачи городских телефонных сетей.

/>/>/>/>1.1.    Принципыпостроения и основные особенности ВОСП на ГТС

Особенностью соединительных линий (С.Л) являетсяотносительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей.Статистика распределения протяженности С.Л городской телефонной сети вкрупнейших городах России свидетельствует, что С.Л протяженностью до 6 кмсоставляют 65% от всего числа СЛ. Значительныерасстояния между регенерационными пунктами  ВОСП дают возможность отказаться отоборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также оторганизации дистанционного питания (рис1.1).

 

                              РАТС                                        РАТС

/>/>

                       

      РАТС                                                                                                     РАТС

      РАТС                                                                                                    РАТС

    

В наиболее общем виде принцип передачи информации вволоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. Напередающей стороне на излучатель, в качестве которого в  ВОСП используетсясветодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал,предназначенный для  передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическоеизлучение, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический.На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). Всовременных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n илилавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на негооптическое излучение  в исходный электрический сигнал. Затем электрическийсигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателюсообщения.

/>/>

  Внедрение  ВОСП на местных сетях началось в 1986г. вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системыпередачи на базе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих городахсооружены линии связи. Аппаратура «Соната-2» сопрягается со стандартным канало- и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В 1990 г. начатпромышленный выпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) длягородских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентномуоптическому кабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или1,3 мкм. Разработана  ВОСП «Сопка-Г», предназначенная для организацииоптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368  Мбит/с поодномодовому и градиентному оптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм.Аппаратура «Сопка-Г» выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогичнаим по системе технического обслуживания, то есть является продолжением единогосемейства ЦСП для городской сети.

Выбор элементной базы при реализации  ВОСП ипараметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифровогосигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровыхсигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровыхсигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположенииуказанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённоечисло цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов,соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, ит.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем.Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи дляразличных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448Мбит/с (120 каналов),  третья-34.368 Мбит/с (480каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии сприведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной ичетвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядкеприсвоены названия системамИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этихсигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. Навыходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то естьпреобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того,чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Этопозволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости отстатистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал можетподаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется припомощи аппаратуры электрического стыка.

/>/>

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендуетсвои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMIи т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратурывременного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Кодстыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операциюпреобразования кода стыка в код цифровой  ВОСП выполняет преобразователь кодалинейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал,модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом,волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМзаменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптическоголинейного тракта.

/>/>/>/>1.1.1.    Линейныекоды ВОСП на ГТС

Оптическое волокно, как среда передачи, а такжеоптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладываютограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего влинейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСПпомещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная иважная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционнойхарактеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощностилазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во вторых, вид энергетического спектра, которыйдолжен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ)компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части.Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит отинформационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал неискажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметьнизкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектраподавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма передрешающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства,предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудованиелинейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотнойсоставляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемаяполупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легкостабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднемузначению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ частьспектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальныеустройства, компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокоесодержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмникеэта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующегоколебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходовуровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0.Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализациисхемы выделения хронирующей информации,  является сигнал, имеющий вэнергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен каких-либо ограниченийна передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любойпоследовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможностьобнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качествосвязи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемыйотношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу.Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Этотребование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогдадостаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролироватькачество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кодаоказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малаястоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи длягородской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качествелинейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленныхтребований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования ивозможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосногофильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен нарис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 –вкодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 4 видно, что для CMI характернозначительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделенияпоследовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеютограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточнопростыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов непревышает двух – трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачислужебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок10, а также нарушение чередований 11 и 00.

/>/>

/>/>/>/>1.1.2.    Источникиизлучения  ВОСП

  Источники излучения волоконно-оптических системпередачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможностьразнообразных типов модуляции излучения, иметь малые габариты и стоимость,большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическоеволокно с максимальной эффективностью. Для  ВОСП потенциально пригоднытвердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевыйгранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), укоторого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются  плюсами данного типа источников. Однакобольшие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являютсяосновными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанныхна широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используютсяполупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первуюочередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули винтегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников излученияхарактерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическомуволокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающийдиод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. В течениепоследующих трех лет появилось второе поколение — одномодовые передатчики,работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третье поколениепередатчиков — диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследованияпродолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков,давшее начало когерентным системам связи — то есть системам, в которыхинформация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системысвязи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов пооптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторнуюкогерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали системусвязи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние2223 км.

/>/>/>/>1.1.3.    Детекторы ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических системпередачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем,как правило,  подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника.Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить формупринимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то естьобладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном ичувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточныедля надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть нечувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующиефотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболееподходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачиявляются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинныефотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются соптическими волокнами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность(может в 100 раз превышать чувствительность p-i-nфотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптическихсигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткаястабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация,поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок ичувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее,лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных  ВОСП, таких какИКМ-120/5, ИКМ-480/5, «Соната».

/>/>/>/>1.1.4.    Оптическиекабели  ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачиинформации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебанияхоптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможнорасширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинамиволн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько оптическихволокон. Оптическое волокно (ОВ) – это направляющая система дляэлектромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют толькооптоволокна, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика:стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси оптоволокнаиспользуется явление преломления и полного отражения в волокне с показателемпреломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Оптическоеволокно (ОВ) изготавливается обычно с внешним диаметром 100 – 150 мкм.Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое волокно состоит из сердечника споказателем преломления n1 и оболочки с показателемпреломления n2, причем n1>n2.Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическимвоздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициентрасширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0.5 – 1.5%оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленноммикротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются припопадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстроуменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристикиоптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны иподлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

/>/>

Передача излучения по любому ОВ можетосуществляться в  двух режимах: одномодовом имногомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяетсятолько одна основная мода

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в ОВустанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависитот характеристик оптического волокна (а именно радиуса сердцевины и величиныпоказателей преломления) и длины волны передаваемого излучения. Оптическиеволокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовымиоптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называютмногомодовыми.

/>

, где l — длина волны передаваемогоизлучения, n1 и n2 – показатели преломления материалов ОВ.

Различают оптические волокна со ступенчатымпрофилем, у которых показатель преломления сердцевины n1одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные  — с плавным профилем, укоторых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в ОВзависят от частоты, то есть оптоволокно является дисперсной системой. Вызваннаяэтим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемогосигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режименазывается модовой дисперсией. Она является весьма существенной причинойискажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. Водномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажаетсязначительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовое ОВ можно ввестибольшую мощность.

/>/>

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнениюс другими средами) затухание сигнала в волокне. Лучшие образцы российскоговолокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяетстроить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения,лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. Воптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные»,так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основетаких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

На сегодняшний день для городской телефонной сетиотечественной промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре ивосемь волокон. Конструкция ОК-8 приведена на рис.1. 7. Оптические волокна 1(многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2.Скрутка оптических волокон – повивная, концентрическая. В центре – силовойэлемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи –полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те жеконструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

А.Необходимы также оптическиеконнекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом наподключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связидолжна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны бытьпорядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линийсвязи очень дорогостоящее.

Б.Другой недостаток заключается в том,что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое,технологическое оборудование.

В.Какследствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановлениевыше, чем при работе с медными кабелями

Тем не менее, преимущества от примененияволоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря наперечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все ширеиспользуются для передачи информации.

/>/>

/>/>/>/>2.    Одноволоконныеоптические системы передачи.

Широкое применение на городской телефонной сетиволоконно-оптических систем передачи для организации межузловых соединительныхлиний позволяет в принципе решить проблему увеличения пропускной способностисетей. В ближайшие годы потребность  в увеличении числа каналов будетпродолжать быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускнойспособности  ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокнудвух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалови завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических (ОВОСП)систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные ОВОСП,работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика иприемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптическихразветвителей н оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ,а длину линии – соответственно увеличить. При использовании разных оптическихнесущих и устройств спектрального разделения каналов можно в несколько разповысить пропускную способность и соответственно снизить  стоимость в расчетена один канало — километр.

Увеличить развязку между противонаправленнымиоптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, аследовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специальногокодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется впаузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшениюдлительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимыхдля развязки сигналов различных направлений. В  ВОСП, построенных подобнымобразом, могут быть использованы эрбиевые волоконно-оптические усилители.

Развязку между оптическими сигналами можноувеличить,  не прибегая к обужению импульсов, если для передачи в одномнаправлении когерентное оптическое излучение и соответствующие методымодуляции, а в другом – модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенноуменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеянияоптического волокна.

Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры,на относительно коротких линиях может быть использован только один оптическийисточник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемогооптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой методдуплексной связи по одному ОВ обеспечивает высокую

надежность оборудования иприменение волоконно-оптических систем передачи в экстремальных условияхэксплуатации.

При нынешнем высоком уровне развитияволоконно-оптической техники появилась возможность передавать оптически сигналына различных модах ОВ с достаточной для  ВОСП развязкой, при этом дуплекснаясвязь по одному ОВ организовывается на двух разных модах, распространяющихся вразных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей модизлучения.

Каждая одноволоконная ВОСП рассмотренных типовимеет достоинства и недостатки. В таблице 1.1 показаны достоинства (знаком «+»)систем, их возможности в отношении достижения наилучших параметров.

/>/>/>/>2.1.   Волноводные оптические системы спектральногомультиплексирования/демультиплексирования

С появлением волоконных световодов (ВС) иинтегральной оптики (ИО), ос­нованной на волноводном распростране­нии света втонких пленках, проблема освоения и использования огромного опти­ческогодиапазона в интересах связи при­обрела практическое значение. Этому такжеспособствовали успехи в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС),планарных оптических волново­дов, интегральных полупроводниковых лазеров идругих приборов ИО. Толчком к существенному продвижению в решении даннойпроблемы стало пред­ложение и разработка волноводных спект­ральныхмультиплексоров/ демультиплексоров (ВСМ/Д), позволяющих уплотнять/разуплотнятьканалы связи во всем опти­ческом диапазоне и сравнительно просто выполнятьканализацию отдельных «уз­ких» оптических каналов.При этом широкое использование оптических си­стем волноводного спектрального

 Таблица 1.1  — Сравнительнаяхарактеристика принципов построения одноволконных  ВОСП

Тип  ВОСП Минимальное затухание, максимальная длина РУ Защище-нность сигналов Большой объем передаваемой информации Относите-льно низкая стоимость Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям С оптическими разветвителями + С оптическими циркуляторами + Со спектральным разделением + + С разделением по времени с использованием оптических переключателей + С разделением по времени с использованием оптических усилителей + + С когерентным излучением в одном направлении и модуляцией интенсивности в другом + + С одним источником излучения + + С модовым разделением + С когерентным излучением для обоих направлений с разными видами модуляции + + +

мультиплексирования/демультиплексированияпозволяет не только решать задачи око­нечных устройств волоконной связи надальние расстояния (материк — материк, город — город), но и перейти к решениюзадач внутригородской связи, вплоть до связи типа дом — дом. Кроме того,достоинством ВСМ/Д является возмож­ность их реализации с помощью извест­ных,хорошо разработанных технологиче­ских методов микроэлектроники и инте­гральнойоптики, дающих возможность на одном кристалле объединить оптические иэлектронные схемы, а также обеспечить соединение с ВС. При этом научная итехнологическая база для коммерческого использования ВСМ/Д в основном под­готовлена.

/>/>/>/>2.1.1.   Принципиальные схемы и основные характеристики ВСМ/Д.

В основеВСМ/Д лежит известный объемный ана­лизатор спектра типа эшелона Майкельсона,представляющий собой фазовую решетку со сравнительно небольшим числоминтерферирующих лучей и боль­шой постоянной разностью фаз между соседнимилучами. Его волноводное воплощение получило ряд названий (ВСМ/Д, волноводныйспектральный анализатор (ВСА), спектральный муль­типлексор на основе матрицысфазированных волноводов (фазар) и др.). По сути, все названия относятся кодному и тому же устройству.

/>рис.2.1

Основные характеристики ВСМ/Д и ВСА в связи с принципом обратимости ходалучей, практически одинаковы, а вывод формул можно провести по ана­логии свыводом для объемного эшелона Майкельсона, с учетом тою, что лучи светараспространяются по планарным (канальным) волноводам или волокон­нымсветоводам. На рис.2.1 приведены схемы диспергирующих систем ВСА прозрачноготипа (а), ВСМ/Д на основе канальных волноводов (б) и ВСА на основе волоконныхсветоводов (в). Фор­мулы, определяющие основные характе­ристики ВСМ/Д и ВСА,выполненных из одномодовых волноводов, имеют вид (рис. 2.1.а):

Dj=h/gx0lb,                   Â=Nh/lb            Dl=l2/hb

Dj=l/gx0,                       dl=l2/Nhb,         dj=l/Ngx0

                               b=dg-l(dDg/dl)

                     Dg=g1-g2,                      К=Dgh/l,                                (1.2)

где Dj — угловая дисперсия; Â — разре­шающая способность; Dl — спектральная область дисперсии; Dj — угловой интер­вал между соседнимипорядками спект­ра; dl и dj - минимальныйинтервал и минимальный угол между двумя разре­шенными по Рэлею линиями; b — диспер­сионный множитель; h — постоянная разность длины пути междусоседними ступенями (волноводами); x0 — ширина ступеней (каналов); g1 и g2 — эффективные показатели преломления ступенчатой структуры и несущеговолновода; l — длина волны в вакууме; N- число интерферирующих лучей (каналов); К -порядок спектра. Для волноводных мультиплексоров на основеканальных волноводов и волоконных световодов (рис. 2.1.б и 2.1.в) разность Dg в приведенных формулах должна бытьзаменена на значение эффективного показателя пре­ломления соответствующихволноводов. При этом для ВСА отражательного типа необходимо учесть удвоениеоптического пути в диспергирующей структуре, т. е. Dg должна быть заменена на 2g. Во всех перечисленных случаях дисперсионный множительоказывается более сложным, чем для объемного эшелона Майкельсо­на, ввиду волноводногораспространения излучения. Для ВСА (рис.2.1.а) он может быть представлен ввиде:

b=Dg-l(sDg/sl)-lSj(sDg/snj)(snj/sl)                                                (1.3)

где nj- показатели преломления сред, образующих волноводы.Второй и тре­тий члены, входящие в (1.3), определяются волноводной дисперсией иматериальной дисперсией сред, образующих волно­воды, с учетом доли мощностиизлуче­ния, распространяющейся в каждой среде, в соответствии с соотношением sg1,2/snj = (nj/g1,2)(Pj/PS), где Pj -мощность излучения, распространяю­щаяся в j-й среде, a PS — общая мощно­сть излучения вволноводе, которая, в свою очередь, определяется его параметрами. Анализ зависимости дисперсионногомножителя от g1,g2 и Dg показал, что определяющие его членымогут иметь как отрицательные, так и положительные значения, а величина этогомножителя может в несколько раз превышать значение Dg.

Схемы,приведенные на рис. 1. могут быть выполнены и гибридном или волноводномварианте. В первом случае ввод оптических сигналов (l1,…ln) в несущий волновод и далее в дисперги­рующуюсистему осуществляется с по­мощью линзы и призмы связи или непосредственно отВС с помощью волноводной линзы. На выходе дисперги­рующей системы в фокальнойплоскости выходной линзы наблюдается спектр принимаемых сигналов. На основе тео­ретическихисследований были изготовлены соответствую­щие макеты с заданными расчетнымипараметрами и получены согласующиеся результаты. В частности, на во­локонномспектроанализаторе (рис.2.1.в) с разрешением 106 было продемонстриро­ваноразрешение продольных модHe-Ne лазера, отстоящих друг от друга на 0,08А.

Перспективнымнаправлением в раз­витии ВСМ является объединение дис­персионного ифокусирующего элемен­тов. Впервые такое объеди­нение было предложено иосуществлено путем создания квадратичного фа­зового распределения на выходедиспер­гирующей системы, получаемого в ре­зультате небольшого изменения длиноптических каналов диспергирующей системы. Фокусировка наблюдалась в планарномволноводе в фокальной плос­кости фокусирующей системы. Сейчас описанная схема снезначительными изменениями используется в большинстве работ, по­священныхВСМ/Д. В подобной схеме вход и выход диспергирующей системы связаны с помощьюдвух звездных сое­динителей и волноведущих пластин, вы­полняющих рольфокусирующих элемен­тов (рис. 2.2). Оптические сигналы на фиксированных

/>рис2.2

длинах волн (l1,…ln) поступают с волоконного световодана вход одного из звездных соединителей, проходят по планарному волноводу ивозбуждают канальные волноводы дис­пергирующей системы. Последние имеютпостоянную разность оптическо­го пути между соседними каналами. Во второмзвездном соединителе оптиче­ские сигналы разделяются простран­ственно по длинамволн (l1,… ln) и фокусируются на торцы выходныхВС. Таким образом, происходит демульти­плексирование входных оптических сигналов. При обратном ходе лучей схема работает какмультиплексор.

В приведенныхвыше схемах предпо­лагалось использование одномодовых волноводов и, соответственно, одномодового режима работы, для которого выполняется условиефазового согласования при длине волны l=Dgh/K (или l=Dg1h/K для канальных волноводов). Так как эффективныепоказатели преломления для ТЕ и ТМ мод в волново­дах различаются из-за обычноимеюще­го место двулучепреломления, то усло­вие фазового согласования для нихтак­же будет различаться. Для компенсации различия эффективных показателей пре­ломлениябыл предложен ряд методов. Наиболее обещающим для ВСМ/Д представляется методполувол­новой пластинки, которая вставляется в канавку в середине волноводнойматри­цы (см. рис.2.2). Чтобы изменить направление поляризации от ТЕ к ТМ модеи наоборот, ее главная ось устана­вливается под углом 45° к поверхностиволновода. Длины волн падающих ТЕ и ТМ мод будут скорректированы в соот­ветствиис равенствами:

l=gTEDL/2+gTMDL/2/K -

-  для падающей ТE моды,

l=gTMDL/2+gTEDL/2/K -

-  для падающей ТM моды,

где gTE и gTM — эффективные показатели преломленияволноводов для ТЕ и ТМ мод соответственно. Как видим, зависимость отполяризации полностью ком­пенсируется с помощью этого метода. Данный методотличается тем, что для исключения зависимости от поляризации нет необходимостив уменьшении двулучепреломления волноводов. В случае ВСМ/Д на основе волноводовиз SiO2/Siиспользуется кварцеваяпластина, так как ее показатель преломления близок к показателям преломленияволноводов.

Следуетотметить также метод ис­ключения поляризационной зависимости с помощьюосаждения аморфной квар­цевой пленки на волновод. Пленка имеет остаточнуюдеформацию и компенси­рует волноводное двулучепреломление. Преимущество этогометода состоит в том, что при его использовании избыточные потери вследствиевведения пле­ночной волноводной вставки могут быть уменьшены до 0.4 дБ. Таким образом,предлагаемые методы могут  обеспечить практическую реализациюВСМ/Д с поляризационной независимостью и низкими вводимыми потерями.

/>/>/>/>2.1.2.   Реализация ВСМ/Д.

Исходяиз пер­спектив использования ВСМ примени­тельно к связи особую значимость при­обретаюттакие характеристики, как за­тухание оптических сигналов в процессе прохождениячерез мультиплексор, мак­симальное количество каналов, плос­костьамплитудно-частотной харак­теристики мультиплексора по каналам во всей полоседлин волн (частот) муль­типлексора и в пределах отдельного канала, перекрестныепомехи, независи­мость от поляризации и, наконец, стои­мость устройства.Рассмотрим некото­рые варианты реализации ВСМ.

Волноводныеспектральные мультиплексоры/демультиплексоры (ВСМ/Д) наSiO2. Важное значение для использо­ваниямультиплексоров имеют потери в устройствах, которые включают потери впрямолинейных волноводах, на изги­бах, в звездных соединителях, при сты­ковкепланарных волноводов с каналь­ными волноводами и с волоконными световодами.Объединяя все потери, при­нято иметь в виду потери «на кристал­ле»,т.е. в волноводной схеме, и потери при передаче волокно-волокно. В по­следнемслучае включаются потери на стыковку входного ВС с планарным волноводомзвездного соединителя и потери при вводе излучения из второго звездногосоединителя в выходные ВС (см. рис. 2.2).

Потерив волноводах и при изгибе канальных волноводов можно свести к минимуму путемвыбора соответствую­щих материалов волноводов, их пара­метров и достаточнобольшого радиуса кривизны. Потери при соединении кана­льных волноводов спланарными волно­водами звездных соединителей могут быть значительными. Для ихуменьшения предложено использовать рупоры, сужающиеся волноводы, изменять рас­стояниямежду выходными концами ка­нальных волноводов и т. п. Для волноводной системы SiO2/Si потери при пере­даче волокно — волокносоставили 2,3… 2,8 дБ. При этом потери на кристалле соответствуют 1,7 дБ.

Систематическоеизучение потерь в ВСМ было проведено с помощью про­граммы, учитывающейраспространение излучения в трехмерном

/> <td/> />
пространстве. В частности, былоизучено влияние различных параметров />

каналь­ных волноводов(толщина пластины, ширина волновода, высота гребня и др.) на потери припередаче мощности из канальных волноводов в область звезд­ного соединителя.Область перехода ка­нальных волноводов к звездному соеди­нителю и их поперечноесечение показа­ны на рис. 2.3, 2.4. 

Поля в этих волноводахмогут быть связаны с полем на другой стороне звездного соединителя с помо­щьюпреобразования Фурье. Поскольку все каналы фокусируются в точке на другойстороне звездного соединителя и поскольку каналы образуют периоди­ческуюматрицу, нужно только смоделировать поле, исходящее из отдельного канала. Поля,которые образуются в результате возбуждения другими кана­лами, получаются путемсуперпозиции. При вычислении полей рассматривается распространение света отодиночного волноводного канала до конца матрицы, затем вычисляется перекрытиеполей с модами волноведущей пластины, чтобы определить поля, принимаемые с помо­щьюзвездного соединителя, и после этого производится быстрое преобразо­ваниеФурье. В результате получается поле на другом конце звездного соеди­нителя.

Изучениепотерь показало, что для получения максимального коэффициента передачи череззвездный соединитель следует использовать толстые волноводные слои, малуюразность показателей преломления волноводного слоя и под­ложки, короткиегребневые волноводы и большие факторы заполнения (w/a). Для ВСМ (WGR -Waveguide Grating Router), показанного на рис. 2.4 и имеющегооптимальные параметры волноводов (толщина волноведущей пластины t = 0,5 мкм, высота h и ширина w гребня равны соответственно 4 и 7 мкм, рас­стояние междуцентрами каналов а = 9 мкм, относительная разность показате­лей преломления Dn/n = 0,67% при nподл = 1,4457), потери на кристалле мо­гут быть меньше 0,2 дБ.

Уменьшениепотерь при распростра­нении сигналов в значительной степени зависит отправильного выбора формы траекторий оптических каналов. Путь решения проблемыминимизации по­терь состоит в использовании семейства полиномиальных Р-  и WP-кривых (рис.2.5),

/>рис2.5

обеспечивающих соеди­нениезаданных начальных и конечных точек кривыми с непрерывно изменяю­щейсякривизной, и оптимизируют про­хождение излучения по траекториям с минимальнымипотерями. Таким обра­зом, минимальные размеры устройства определяются заданнымуровнем поте­рь. Расчеты выполняются с помощью простого алгоритма на компьютеретипа PC. С помощью предложенной методики былрассчитан и реализован мультиплек­сор на основе волноводного слоя Si02, нанесенного путем эпитаксиального ос­ажденияиз газовой фазы на кремниевую подложку. Параметры изготовленного мультиплексораприведены ниже:

Рабочая длинаволны                                                              1,55 мкм

Показательпреломления подложки                                       1,469

Разностьпоказателей преломления                                        1,5 х 10-2

Размерыканала (ширина, полная высота,

протравленнаявысота)                                                  6,5 х 4,5 х 2,5 мкм3

Числовходных/выходных каналов                                        16/16

Спектральноеразрешение                                             1,6 им (200 ГГц)

Спектральнаяобласть                                                              25,6 нм

Числоканалов                                                                          60

Длинадисперсионного элемента                                            6.1 мм

Расстояниемежду каналами

навходе звездного соединителя                                             20 мкм

Порядокинтерференции                                                                   60

Разностьдлин оптического пути

двухсоседних каналов                                                             63.1 мкм

Площадьустройства                                                               4,2 х1,7 см2

Измеренныепотери при передаче волокно — волокно составили 5±2 дБ, средний спектральныйинтервал между каналами — 199.5 ГГц, средняя ширина полосы каналов по уровнюполовины интенсивности — 44 ГГц. В пределах ширины полосы канала перекрестныепомехи соответствовали 35 дБ.

Врезультате взаимного влияния ка­налов возникают аберрации. Для их уменьшенияможет быть использована корректирующая схема, которая оп­тимизирует положенияфокусов звезд­ных соединителей и длины каналов дис­пергирующей системы так,чтобы обес­печить более точное выполнение преоб­разования Фурье в звездныхсоедините­лях. Такой в мультиплексор может работать как N х N переключа­тель. Если к входам мультиплексора подсоединить N лазеров, каждый из которыхперестраивается в пределах Nдлинволн, то любой из лазеров может быть соединен с любым выходным ка­налом.

Нарядус гребенчатыми волноводами в мультиплексорах используются зара­щенные илизакрытые покровным слоем волноводы. В этих случаях применяются волноводы ссердцевиной, повышенный показатель преломления которой обес­печивается путемвведения легирующих примесей, использования композицион­ных волноводов и др.Сердцевина канальных волноводов обычно имеет площадь 25...50 мкм2 иразность показателей преломления доли процента от n. Это обеспечивает малые потери при распространении излученияпо волноводам (0,05...0,1 дБ/см) и при стыковке волноводов с волоконнымисветоводами (~0,1 дБ).

Таблица2.1 Экспериментальные и теоретиче­ские характеристики мультиплексоров

Параметры Экспериментальные и теоретические* результаты

Центральная длина волны l0(заданная величина ), мкм

1,5476 (1,548) 1,5521 (1,552)

1,5498

(1,550)

1,5496 (1,550) Спектральное разделение каналов Dl, нм 15 2 0,8 (100 гГц) 0,4 (50 гГц) Число каналов 8 16 32 64 Разность длины пути DL, мкм 12,8 50,3 63 63 Фокус звездного соединителя f, мм 2.38 5,68 11,35 24.2 Порядок дифракции m 12 47 59 59 Число каналов диспергирующей системы 30 60 100 160

Потери на кристалле при l0, дБ

2,4 2,3 2,1 3,1 Ширина полосы на уровне 3 дБ 6,3 нм (6,3 нм) 0,74 нм (0,75 нм) 40 ГГц (37 ГГц) 19 ГГц (21 ГГц) Перекрестные помехи, дБ <-28 <-29 <-28 <-27

* Теоретические результаты даны в скобках

.

В таблице 2.1 приве­деныэкспериментальные и теоретиче­ские характеристики мультиплексоров,изготовленных на основе канальных вол­новодов, размер сердцевины которых иразность показателей преломления со­ставляют соответственно 7х7 мкм2и 0,75 %.

Сравнениетеоретических и экспери­ментальных результатов для различных видовмультиплексоров показывает, что такие характеристики, как центральная длинаволны, число каналов, спектраль­ный интервал между каналами и ширина полосычастот по уровню половинной мощности могут быть достаточно точно предсказаны спомощью метода лучево­го распространения. Таким образом, волноводныеспектральные мультиплек­соры на основе SiO2/Si позволяют реали­зовать малые потери при передаче во­локно — волокно и дают возможность объединять оптические схемы с электронными на основе Si.

Достиженияв области создания вол­новодов на SiO2/Si с малыми потерями и ВСМ/Д на их основе сделали возмож­нымизготовление надежных и экономич­ных модулей мультиплексоров для си­стем соспектральным уплотнением. Мо­дули мультиплексоров 1х8 на основе SiO2/Si доведены до уровня коммерче­скойэксплуатации.

Приработе мультиплексоров чрезвы­чайно важна стабилизация центральной длины волны,для чего требуется темпе­ратурный контроль, который невозмо­жен без знаниятемпературной зависимости сдвига центральной длины волны. Поэтому для указанныхмодулей были проведены соответствующие испытания, причем наибольший интереспредставля­ли такие параметры мультиплексора, как сдвиг центральной длины волныпри изменении температуры, а также тепло­вая деградация. Испытания проводилиськак для устройств на открытых кристал­лах, так и для модулей, заключенных впластмассовый корпус. Модули были снабжены специальными нагревателями итемпературными датчиками (термисторами). Протестированные модули имелиследующие рабочие характеристи­ки: вносимые потери < 10 дБ, интервал междуканалами — 200 ГГц (1,6 нм), поляризационная чувствительность < ±0,05 нм, зависимость потерь от по­ляризации<1 дБ при комнатной темпе­ратуре. Потребляемая мощность сос­тавляла 5 Вт,размеры корпуса -100х55х17 мм3

Результатыиспытаний модулей, за­ключенных в корпус, показали относи­тельно малоеизменение вносимых по­терь (< ±0,5 дБ ) после 950 часов работы притемпературе 85°С, а сдвиг централь­ной длины волны в течение тестированияоказался меньше 0,01 нм. Следователь­но, данные модули могут надежно истабильно использоваться даже в усло­виях высоких температур.

Волноводныеспектральные мультиплексоры/демультиплексоры наInP. До недавнего времени ВСМ (фазары) наSiO2/Si демонстрировали лучшиеэксплуатационные характеристики и ка­зались наиболее подходящими для прак­тическогоприменения. Однако в послед­ние время наблюдается значительный прогресс вобласти создания волноводных устройств на основе полупроводниковых соединений.Последние дают воз­можность интегрировать как пассивные, так и активныеустройства на единой подложке. Так были изготовлены муль­типлексоры на основеглубокой гребне­вой волноводной />Рис.2.7

структуры, показанной нарис.2.6. Их структура состоит из четверного слоя InGaAsP толщиной 1мкм и верхнего слоя InP толщиной 1мкм, выращенных методоммолекулярно-лучевой эпитаксии из газовых источ­ников. Для удаления полимера сбоко­вых сторон гребня и получения вертика­льных боковых стенок волновод толщи­ной2,5 мкм глубоко стравливался ниже несущего слоя (примерно на 0,6 мкм) путеммногоступенчатого реактивного ионного травления. Параметры структу­ры былирассчитаны для получения одинаковых постоянных распростране­ния ТЕ- иТМ-поляризаций. Преиму­щество структуры с глубоким травле­нием состоит в том,что двулучепрело­мление не зависит от глубины травления, а определяется толькотолщиной волноводного слоя и шириной волновода. Другим ее преимуществомявляется оче­нь высокая степень ограничения света, что дает возможностьиспользовать из­гибы с малым радиусом кривизны (R ~70 мкм) без значительного увеличе­ния потерь. Это позволяетсоздавать мультиплексоры чрезвычайно малых размеров.

Характеристикидвух поляризационно независимых фазаров с 4 и 16 канала­ми в области длин волн1,55 мкм и размерами 0,5х0,5 и 1,0х0,9 мм2 соот­ветственно имеютследующие значения: интервал между соседними каналами -3,2 и 2,03 нм,перекрестные помехи — 28 и 20 дБ, вносимые потери — 11 и 13 дБ. Данныерезультаты свидетельствуют о пригодности этих мультиплексоров к монолитнойинтеграции с активными устройствами: полупроводниковыми ла­зерами, усилителями,детекторами и т. п.

/>/>/>/>2.1.3.   Интеграция оптических устройств.

Перспективыиспользования ВСМ/Д на оконечных станциях ВОЛС непосред­ственно связаны свозможностями их интеграции с источниками излучения, приемниками, усилителями идр.

Интегральныеисточники излучения. Напередающих станциях излучение от матрицы лазеров, работающих на дли­нах волн l1,… ln. должно быть объеди­нено в один каналдля ввода в волокон­ный световод оптической линии связи. Это может бытьосуществлено путем использования матрицы из Y-соединителей. путем соединения излучения лазеров с помощьюВСМ. объединения усилите­лей и ВСМ в единый интегральный блок с одним выходнымканалом, а также другими способами.

Объединителина основе InP были интегрированы с решеткой из че­тырех лазеровс распределенной обрат­ной связью (РОС) с длинами волн излу­чения в области 1,55 мкм и спектральным интерваломмеждуотдельными излучателями2 нм, выполненными на единой подложке. При этом вносимые потери составлялизначительную вели­чину. В дальнейшем потери были не­сколько уменьшены. Нарис.2.7 приведена интегральная схема модуля из четырех РОС лазеров, состы­кованныхс мощностным полимерным (1х4) объединителем, так же выполнен­ным на подложке изInР. Поперечное сечение заращеннойполимерной струк­туры показано на рис.2.8.

/>Рис.2.8

Изготовлениемодуля проводилось в два этапа. На первом методом молеку­лярной эпитаксии итравления реактив­ным ионным пучком была изготовлена лазерная структура сзаращенными греб­невыми волноводами. Переход от актив­ной области к пассивнойдостигался с помощью вертикального травления, вплоть до подложки сиспользованием СН4/Н2/Аr. На втором этапена основе волновода из полисульфона в качестве волноводного слоя и ПММА вкачестве обрамляющих слоев был создан пассив­ный объединитель. Сначала наподложку из InP с помощью центрифуги наноси­лись полимерные слои, а затем путемфотолитографии и реактивного ионного травления формировались полосковыеволноводы объединителя.

Аналогичныемодули были реализо­ваны с использованием матрицы из лазеров с распределеннымибрэгговскими отражателями (РБО) (рис.2.9).

/>Рис.2.9

В отличие от РОС лазеров,работающих на фиксированной длине волны, определяе­мой периодом брэгговскойструктуры, РБО лазеры позволяют более гибко подстраивать длину волны путем изме­нениятока в пассивной секции брэгговского отражателя. Так, изменение тока от 0 до 30мА приводило к изменению длины волны лазера на 4,5 нм. Четыре РБО лазераработали в области длин волн 1,55 мкм со спектральным интер­валом между ними 4нм. Длина активной секции лазеров составляла примерно 900 мкм, а секциябрэгговского отражателя -500 мкм. Изменение тока на брэгговском отражателепозволяло производить под­стройку длины волны генерации с точно­стью лучшей,чем ±0,2 нм. Устройство было реализовано в три стадии роста с помощьюмсталлорганичсской эпитаксии из газовой фазы (MOVPE). Вначале изготавливался активный слойиз четы­рехInGaAsP напряженныхпотенциальных ям с оптическим ограничением. Активные лазерные области подверга­лисьсухому травлению, а пассивный слой с шириной запрещенной зоны 1.3 мкм был получен в процессе селектив­ногоэпитаксиального роста при исполь­зовании маски из нитрида кремния. В результатебыла реализована структура, состоящая из активных и пассивных областей,соединенных в торец. Для точного подбора толщины решетки на верхней частипассивного слоя выращи­валась структура, состоящая из четырех­компонентноготонкого слоя, помещен­ного между слоями InP. Затем с помо­щью одномерной голографической лито­графииизготавливались четыре решетки с разными периодами. Период первой решеткисоставлял 240 нм, периоды других отличались на 0,625 нм и обес­печивали такимобразом спектральный интервал между длинами волн излучения лазеров, равный 4нм. Гребенчатые вол­новоды Y-разветвителейобъединителя и лазерные волноводы были изготовлены за один процесс литографии.Мощность каждого лазера составляла 0,2 мВт, размеры готового устройства былирав­ны 3х1 мм2.

/> <td/> />
Для построения оптических сетейс ВСМ/Д перспективно использовать источники излучения, которые генерируютодновременно ряд частот со стабильны­ми строго контролируемыми спектраль­нымиинтервалами между ними. Такими источниками являются многочастотные лазеры(МЧЛ),

Рис.2.10

представляющие со­бойусилители со сколотыми зеркальны­ми гранями и вместе с одиночным выходнымпортом образующие опти­ческий резонатор (рис. 2.10). Если усили­телиобеспечивают достаточное усиле­ние, чтобы скомпенсировать все потерирезонатора, то происходит генерация лазера на длине волны, определяемойфильтром соответствующего канала. Каждый из К усилителей в портах от 1 до N будет, таким образом, генериро­ватьоптическую длину волны lt. Интер­валы между оптическими каналами об­условленывнутренним резонатором и определяются с большой точностью. Одновременноедействие на всех длинах волн достигается простым запуском всех усилителей.Конкретная информация на каждом оптическом lt канале задается путемнепосредственной модуляции тока смещения соответствующего усилителя. Былапродемонстрирована работа МЧЛ, состоящего из 16 каналов. Устройство можетобеспечивать мощность 13 дБм на канал при вводе в одномодовое волокно приодновременной работе всех каналов. Каждый канал мог быть модулирован соскоростью 622 Мб/с, демонстрируя об­щую битовую скорость 10 Гб/с (16х622 Мб/с).Средний интервал между канала­ми составлял 200 ГГц. Прямая скорость модуляцииограничивалась в результате запаздывания, связанного со временем одного проходарезонатора, и составля­ла 2,5 ГГц. Уменьшение размеров ус­тройства позволитполучить более высо­кую скорость модуляции.

СравнениеМЧЛ и матрицы РОС лазеров позволило оценить преимущества и недостатки каждогоиз них. Так, каждый отдельный РОС лазер мож­ет модулироваться с очень высокойскоростью, так как имеет короткий ре­зонатор. Кроме того, размеры кристалла РОСлазера значительно меньше разме­ров МЧЛ, так как в этом случае отсут­ствуют ифокусирующая решетка, и волноводная матричная решетка. Одна­ко преимущество МЧЛсостоит в том, что они позволяют получать спектраль­ное расположение оптическихканалов с высокой точностью, обусловленной ис­пользованием независимого фильтрадля каждой генерируемой длины волны. В отличие от МЧЛ индивидуальные длиныволн, матрицы РОС лазеров могут дрейфовать друг относительно друга в результатестарения. В дополнение к недостаткам матрицы РОС лазеров мож­но отнести и то,что ее внутренние потери пропорциональны числу каналов, вследствие чего ихувеличение затруднительно. На основе проведенного сравне­ния можно сделатьследующие выводы.

Еслинеобходимо малое число кана­лов, предпочтительней оказываются РОС лазеры ввидуих компактности. Однако когда число каналов с различны­ми длинами волнувеличивается, свой­ственный МЧЛ контроль за расположе­нием оптических каналовпо спектраль­ным интервалам может способствовать значительному увеличениюнедостатков, связанных с его размерами. Следовате­льно, МЧЛ может найти широкоепри­менение в системах с волноводным спектральным уплотнением, требующихбольшого числа каналов с различными длинами волн, но с умеренной скоро­стьюпередачи данных в одном канале.

ИнтеграцияВСМ и фотоприемников. Четырехканальный демультиплексор с малыми потерями был монолитноинтегрирован с фотодетекто­рами. Демультиплексор состоял из диспергирующейволноводной системы, соединенной с планарными фокусирую­щими областями (рис.2.11).

/>                  Рис. 2.11

В устройствеиспользовались гребневые волноводы с поперечной разностью показателей пре­ломления0,037 и nэфф=3,29 (для ТЕ-поляризации). Ширина ивысота гребня составляли соответственно 2 и 0,35мкм.Свет извыходных волноводов поступал на фотодетекторы с помощью устрой­ства связи,использующего проникающее поле. Для увеличения поглощения в фотодетектореслоистая структура была оптимизирована. Эта структура выращивалась на подложкеиз n+InP методом MOVPE и имела нелегированный буфер­ный слой InPтолщиной 1,5 мкм, нелеги­рованный волноводный слой InGaAs (2=1,3 мкм) — толщиной 0,6мкм,нелегированный верхний обрамляющий слой волновода — 0,3 мкм, поглощающийслой n-InGaAs (1 х 1017 см -3) — 0,27 мкм, слой p-InP (1 х 1018 см-3) — 0.5 мкм и неволноводный контактный слой р-InGaAs (2x 1018 см -3) – 0,1мкм. Размеры фотодетектора — 150 х 80 мкм2. Внутрен­ний квантовыйвыход был лучше 90 %. Вне фотодетектора выращивалась слоистая структура,содержащая тонкие волноводные слои.

Измерениехарактеристик демультиплексора проводилось с помощью пере­страиваемоголазерного источника. Из­меренный интервал между каналами составил 1,8 нм.Полная ширина полосы канала по уровню 0.5 была равна 0,7 нм. Демультиплексор,монолитно интегрированный с фотодетекторами имел по­тери для ТЕ-поляризации 3-4дБ, для ТМ-поляризации на 0,5 дБ больше. Внешняя чувствительность фотодетекторасоставляла 0,12 А/Вт. Полные внеш­ние потери, включая потери на связьфотодетектора с волноводом, составляли 10 дБ, перекрестные помехи – 12… 21 дБ. Устройство, включаяфотодетекторы и входные полосковые волноводы, имело размеры 3,0 х 2,3 мм2.

/>/>/>/>2.1.4.   Оптические мультиплексоры с добавлением и отводом каналов.

 Оптическиймультиплексор с добавлением и отводом каналов (МД/О) является устройством,предоставляющим одновременный дос­туп ко всем каналам на соответствую­щихдлинах волн в системах связи с ВСМ/Д. В англоязычной литера­туре используетсятерминологияAdd/ Drop Multiplexer (A/DM). На рис. 2.12 приведена конфигурация такого волноводного 16-ти канальногооптического мультиплексора. Его устройство состоит из четырех ВСМ/Д и 16-тидвухпозиционных термооптических (ТО) переключателей.

/>

Рис.2.12

ЧетыреВСМ/Д с оди­наковыми параметрами расположены в месте пересечения их планарныхфокаль­ных областей. В диапазоне 1.55 мкм спектральные интервалы между канала­мии область дисперсии составляли 100 и 3300 ГГц (26,4 нм) соответственно. Сиг­налы, поступающие смультиплексора (l1, l2,… l16) с равными спектральными интерваламимежду ними, поступают на главные входные порты (добавленные порты).Разделившиеся с помощью ВСМ/Д1 (ВСМ/Д2) 16 сигналов вводятся в левые плечи(правые плечи) ТО пере­ключателей. Любой оптический сигнал, введенный вдвухпозиционный ТО пере­ключатель, проходит через кросс-порт одного из четырехитерферометров Ма­ха-Цендера, прежде чем достичь выход­ного порта. С другойстороны, любой сигнал с определенной длиной волны может быть удален из главноговыход­ного порта и приведен к отводящему порту после изменения соответствующе­гоусловия в переключателе. Сигнал с той же самой длиной волны, что и отведенный,может быть добавлен в главный выходной порт, если будет по­ступать надобавленный порт (рис. 12). Например, если ТО переключатели SW2, SW4, SW6, SW7,SW9,SW12, SW13 и SW15находятся в положении «Вкл.», выделен­ные сигналы l2, l4, l6, l7, l9, l12, l13 и l15 выводятся из главного выходного порта (сплошная линия) и присоединяются котводящему порту (пунктирная линия), как показано на рис. 2.13.

/>

Рис.2.13

Перекрестные помехи дляположений «Вкл. — Выкл.» оказались меньше 28,4 дБ при потерях накристалл 8...10 дБ. Как видим, МД/О весьма привлекательны для всех систем связис ВСМ/Д и позволяют оптической сети быть прозрачной для сигналов с большимибитовыми скоростями и фор­матами.

Перспективыширокого практическо­го применения МД/О привлекли иссле­дователей к разработкесредств проекти­рования сложных фотонных интеграль­ных цепей. Длячетырехканального МД/О был предложен метод иницииро­вания проекта насимволическом уровне, а также моделирование (начиная с этого уровня) и созданиемаски макета. Использованная система автоматическо­го проектированиябазировалась на известной специализированной системе проектирования дляСВЧ-диапазона.

Моделированиефазара выполнялось в два этапа: сначала создавалась геомет­рия фазара сжелаемой спецификацией, в которую включалось определенное чис­ло входных ивыходных портов, цент­ральная длина волны и спектральный интервал междуканалами, затем моде­лировалось распространение волн через фазар.

Проектгеометрии фазара имел два звездных соединителя, связанных матрицей пря­молинейныхи изогнутых волноводов. Фазар с N входными и М выходными волноводами описан спомощью (N+M) х (N + M) S-матрицы. Элемен­тыматрицы SiJ вычислялись следующим образом.Сначала определялось поле, излучаемое из порта i, и коэффициенты связи с каждым волноводом матрицы. Затемвычислялось распростране­ние волн в каждом волноводе с учетом потерь напереходах и излучение в изогнутых волноводах. Наконец, с по­мощью того жеметода, что и для входных портов, определялись коэффи­циенты связи между каждымволново­дом матрицы и выходным волноводом  j.

Примерсимволического представле­ния матрицы фазара 6 х 6 вместе с маской схемыпоказан на рис. 2.14.

/>Рис. 2.14

На следующей стадиипроектировалась мо­дель МД/О, состоящего из фазара 6 х 6 и обратных волноводныхпетель. В траек­тории петель включены переключатели типа интерферометровМаха-Цандера, которые открывают и закрывают петли. Символическое представлениеМД/О приведено на рис 2.15.

ЧетырехканальныйМД/О с кон­струкцией, идентичной рассчитанному проекту, был реализован наоснове InP. Сравнение результатов моделированияи измерений показало сдвиг макси­мума полосы пропускания отдельного

/>

Рис. 2.15

канала на 9 нм. Главнымобразом это было следствием различия между спроектированной и изготовленнойволноводными структурами. Потери составили 7 … 9 дБ, остаточный сигнал в полосесоседнего сигнала оказался примерно па 30 дБ ниже исходного сигнала. Этизначения находятся в хорошем согласии с рассчитанными.

/>/>/>/>2.2.    Выводы.

Волноводныеспектральные мультиплексоры/демультиплексоры являются ключом к решению проблемыиспользова­ния всей чрезвычайно широкой полосы пропускания волоконныхсветоводов. Наибольшее развитие получили ВСМ/Д, выполненные на основеSiО2/Siи на InP. Первые обладают меньшимипотерями на кристалл, в то время как полупроводни­ковые пассивные оптическиеинтеграль­ные схемы могут быть непосредственно интегрированы с источникамиизлучения, усилителями, фотодетекторами и др. При этом на одной подложке могутбыть объединены оптические и электронные компоненты. Изготовление оптическихволноводных спектральных мультиплек­соров выполняется методами стандартной (вы­сококачественной)литографии. Соедине­ние оптических планарных интегральных цепей с волоконнымисветоводами доста­точно разработаны и не вносят существен­ных потерь. Размерыприборов (без кор­пусов) не превышают 1 — 2 см. Такие характеристики предвещаютбыстрое раз­витие производства дешевых, коммерче­ски приемлемых приборов новогопоколе­ния не только для дальней связи, но и для местной широкополосной связитипа дом — дом.

/>/>/>/>3.    Применениеоптических циркуляторов в волоконно-оптических системах передачи

Эволюцияразвития волоконно-оптических сис­тем передачи (ВОСП) от простых линий передачик более совершенным системам с оптической обработкой сигнала стимулируетсоздание новых оптических устройств, обладаю­щих невзаимными свойствами, — оптических изоляторов (ОИ) и

оптических циркуляторов (ОЦ). В свою очередь применениетаких устройств в аппаратуре ВОСП позволяет расширить функциональныевозможности и улучшить характеристики ВОСП.

Оптическийциркулятор представляет собой  пассивное трех- или четырехпортовое оптическоеустройство, которое благодаря своим невзаимным свойствам может распределятьпоступающее оптическое излучение в различные порты в зависимости от направленияраспространения излучения. Невзаимность свойств ОЦ (так же, как и ОИ)обусловлена эффектом невзаимного поворота плоскости поляризации (Эф­фектФарадея) в магнитоупорядоченных кристаллах, в частно­сти, в кристаллахферритов-гранатов.

/>Рис.3.1

Схемаработы простого трехпортового ОЦ (Y-типа) по­казана на рис.3.1.а. Оптическое излучение, которое поступаетчерез порт 1, выходит через порт 2. Однако излучение, поступающее в обратномнаправлении через порт 2, направ­ляется в порт 3, а не в порт 1. Поэтому прииспользовании двух соседних портов ОЦ функционирует как обычный ОИ, а прииспользовании всех трех портов может осуществляться двуна­правленная передачапо одному волокну.

В общемслучае ОЦ (Х-типа) имеет четыре порта (рис.3.1.б). Аналогично предыдущемуоптический пучок, входящий через порт 3, выходит через порт 4, а входящий черезпорт 4, выходит через порт 1. Для большинства применений ОЦ достаточноиспользование первых трех портов.

/>/>/>/>3.1.    Структураи принцип работы оптического циркулятора.

Внастоящее время известно несколько схем построения ОЦ. ГП «Дальняясвязь» разработана и выпускается модифи­цированная схема ОЦ со специальнойпризмой, имеющей щель.

/>

Рис.3.2

Структура устройства иположение поляризационных компонентов показаны на рис. 3.2, где 1, 2, 3 — волоконные коллиматоры; 4 — специальная поворотная призма со щелью; 5, 7, 8, 9- двулучепреломляющие элементы из кристалла рутила; 6 — 45-градусныйфарадеевский вращатель из кристалла иттрий-железного граната. Принцип работы ОЦзаключается в следующем.

Прямойканал 1-2 фактически является одноступенчатым изолятором, работающим в прямомнаправлении. Поступаю­щее в ОЦ через порт 1 оптическое излучение с произвольнойполяризацией коллимируется линзой 1 и попадает на первый двулучепреломляющийэлемент 5 из кристалла рутила. При прохождении через этот элемент входной пучокразделяется на два луча с ортогональной поляризацией — обыкновенный (о-луч) инеобыкновенный (е-луч), при этом е-луч отклонятся от первоначальногонаправления и на выходе элемента оказывается смещенным относительно о-луча(позиция «С» на рис. 3.2.б). Далее эти лучи проходят черезфарадеевский вращатель поляризации 6, выполненный на основе кристаллаиттрий-железного граната. Здесь плоскости поляризации обо­их лучейповорачиваются на 45° (позиция «В» на рис.3.2). Затем лучи проходятчерез второй 7 и третий 8 двулучепрело­мляющие элементы, где также происходитотклонение лучей.

Посколькудлина и ориентация второго и третьего рутиловых элементов относительно первоговыбраны соответствую­щим образом, два ортогональных поляризованных лучаобъединяются в один луч (позиция «А» рис.3.2.б), который выходит изОЦ через порт 2. Таким образом, оптический сигнал с произвольной поляризациейпередается из порта 1 в порт 2 с малыми потерями. И поскольку входной сигналпоступает из порта 1 через щель в призме, то порт 3 оказывается полностью«развязанным» от порта 1.

Приработе в обратном направлении, когда входной сигнал поступает в порт 2, онпроходит те же функциональные элементы, но в обратном направлении. Однако врезультате невзаимного поворота плоскости поляризации в фарадеевском вращателе6 два луча, распространяющиеся в обратном направлении, будут поляризованыортогонально по сравнению с прямым направлением (позиция «С»рис.3.2.б). Поэтому после прохождения через первый рутиловый элемент 5 эти лучине сходятся в один, а расходятся на удвоенное расстояние (позиция «D» рис.3.2.б) и не попадают в порт 1через щель в призме. Следовательно, в этом случае имеет место изоляция порта 1от порта 2, как в обычном оптическом изоляторе. Пучки, симметрично смещенныеотносительно щели, откло­няются призмой под углом 90° и направляются вотраженный канал (порт 3), где установлен двулучепреломляющий рутило­вый элемент9. Длина и ориентация этого элемента выбраны таким образом, чтобы поступающиелучи объединились в один луч, выходящий через порт 3. Таким образом, оптическийсигнал передается из порта 2 в порт 3 при изоляции порта 1.

/>/>/>/>3.1.1.    Характеристикиоптических циркуляторов.

Изпринципа работы ОЦ следует, что вносимые в прямой канал потери, заданныевыражением А12 = -10 lg P2/P1 (где P1 — мощность на входе 1, Р2 — мощность на выходе 2), определяются суммарным значением потерь коллимирующейсистемы (включая аберрационные потери линз), потерь в оптических элементах(поглощение, рассеяние и френелевское отражение), отклонением углафарадеевского вращения от 45° и потерь, связанных с неточностью установкиэлементов. В зависимости от качества элементов и точности юстировки величинавноси­мых потерь в прямом канале может составлять А12 ~ 0,8...1,6 дБ. Потери в отраженном канале А23 = -10 lg P3/P2 прак­тически лежат в том жеинтервале, поскольку поворотная призма 4 и дополнительный рутиловый элемент 9обладают малыми потерями.

Величинаизоляции порта 1 от порта 2, т. е. потери А21 = -10 lg P1/P2 так же как и в случае оптическогоизоля­тора, определяются степенью разведения поляризованных лучей вдвулучепреломляющих элементах, угловой ошибкой при взаимной ориентации этихэлементов, отражением и рассеянием излучения в фарадеевском вращателе, а такжеошибками при юстировке элементов. Экспериментально уста­новлено, что рассеяниена различных дефектах в кристаллах рутила и граната ограничивает максимальнуювеличину изоляции на уровне 40...45 дБ.

Как ужеотмечалось, в рассматриваемой структуре отсут­ствует непосредственная связьмежду портами 1 и 3. Поэтому величина перекрестной помехи на ближнем конце А13 = -10 lg P3/P1 определяется только френелевскимиотраже­ниями от торцов первого рутилового элемента и фарадеевского вращателя иможет быть снижена до уровня менее — 50 дБ.

Обратныеотражения А11, А22, А33 также определяютсявеличиной коэффициента отражения от горцев волокон и от граней элементов.Наклон торцов волокон примерно на 70и граней элементов примерно на 1 приводит к снижению обратныхотражений до уровня 55...-60 дБ.

Наоснове предложенной структуры (см. рис. 3.2) изготавливаются и предлагаются потребителямодномодовые поляризационно-независимые ОЦ для диапазонов длин волн 1,3 и 1,55мкм.

/>/>/>/>3.1.2.    Возможныеварианты применения оптических циркуляторов в оборудовании волоконно-оптическихлиний связи.

Первоначаль­ноОЦ разрабатывался для применения в качестве одного из элементов оптическогоусилителя, позволяющего улучши­ть характеристики усилителя путем замены простыхоптиче­ских ответвителей на ОЦ. Кроме того, использование ОЦ позволяетреализовать схему оптического усилителя, работаю­щую в режиме «наотражение».

/>

Рис.3.3

Схемаволоконно-оптического усилителя отражательного типа, в котором используетсяоптический циркулятор, показана на рис.3.3. При такой схеме эффективностьдействия накачки в активном эрбиевом волокне увеличивается в два раза.

Применение ОЦ перспективно в измерительныхсистемах, в частности, в рефлектометрах. Так, замена традиционноготрехдецибельного направленного ответвителя на ОЦ в выпу­скаемых ГП«Дальняя связь» оптических рефлектометрах ОР-2-1 позволяет увеличитьдинамический диапазон примерно на 6 дБ, т. е. увеличить дальность действияприбора на 10-15 км в диапазоне 1,55 мкм. Однако более широкое применение ОЦнайдут в качестве элементов волоконно-оптического тракта. В частности, будучивключенными в волоконно-оптический тракт, они обеспечивают одновременную двуна­правленнуюпередачу по одному оптическому волокну.

/>

Рис.3.4

Схема испытаний двухобразцов ОЦ в составе комплектов аппаратуры ОТГ-32Е при двунаправленнойпередаче по одно­му оптическому волокну показана на рис.3.4 (длина волны А=1,55 мкм, скорость передачи В = 34 Мбит/с, ПОМ — передающий оптический модуль,ПРОМ — приемный оптиче­ский модуль, ОС — одномодовый оптический соединитель,Атт. — регулируемый одномодовый оптический аттенюатор, ОЦ — оптическийциркулятор). Испытания, проведенные при одно­временной встречной работе двухкомплектов аппаратуры ОТГ-32Е, работающей со скоростью 34 Мбит/с, по одномуволокну с включенными двумя ОЦ, показали, что при исходном энергетическомпотенциале 32 дБ снижение послед­него благодаря использованию ОЦ не превышает 4дБ. Величина остающегося потенциала достаточна для обеспече­ния значительнойдальности связи при двунаправленной пере­даче по одному волокну.

Необходимоотметить, что физические принципы работы ОЦ никак не ограничивают скоростьпередачи информации в создаваемом одноволоконном тракте. Такое техническое ре­шениедает возможность отказаться в обоснованных случаях от прокладки дополнительныхоптических кабелей при расши­рении сети или сохранить работоспособную сеть вусловиях выхода из строя нескольких оптических волокон.

/>/>/>/>3.2.    Выводы

Этот жепринцип использования ОЦ позволяет достаточно просто решить ряд возникающих уоператоров связи задач и дает возможность:

— организовать эффективное уплотнение волоконно-оптического кабеля приограниченном числе свободных волокон;

— осуществлять контроль целостности волоконно-оптического тракта без перерывасвязи с помощью измерения в обратном направлении уровня мощности оптическогоизлуче­ния от какого-либо источника излучения;

— создавать обратный управляющий канал в интерактивных системах кабельного телевиденияв условиях, когда до абонента прокладывается лишь одно волокно;

— маскировать полезный оптический сигнал в оптическом волокне путем подачи вобратном направлении более мощного зашумляющего сигнала;

— передавать в обратном направлении сигнал от систем телеконтроля и сигнализации,что обеспечивает полную не­зависимость работы таких систем от основноготелекоммуникационного оборудования. Это может представлять особый интерес дляоператоров ведомственных сетей связи;

— передавать сигналы телевидения без дополнительного уплотнения и занятия групптелефонных каналов.

Взаключение следует отметить, что организация одно­волоконного тракта с помощьюОЦ существенно упрощает производство и эксплуатацию разъемов для полевыхоптических кабелей.

/>/>/>/>4.    Построениепередающих и приемных устройств  ВОСП ГТС./>/>/>/>4.1.1.         Виды модуляции оптических колебаний.

Для передачи информации по оптическому волокнунеобходимо изменение параметров оптической несущей в зависимости от измененийисходного сигнала. Этот процесс называется модуляцией.

Существует три вида оптической модуляции:

1)          Прямая модуляция.При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптическойнесущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменениямодулирующего сигнала (рис.4.2).

2)          Внешняя модуляция.В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы,выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит отвоздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей.Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметрыоптической несущей (рис.4.1).

3)          Внутренняямодуляция. В этом случае исходный  сигнал управляет параметрами модулятора,введённого в резонатор лазера (рис.4.4).

Для внешней модуляции электрооптические (ЭОМ) иакустооптические (АОМ) модуляторы.

Принцип действия ЭОМ основан на электрооптическомэффекте – изменении показателя преломления ряда материалов под действиемэлектрического поля. Эффект, когда показатель преломления линейно зависит отнапряженности поля, называется эффектом Поккельса. Когда величина показателяпреломления не линейно зависит от напряженности электрического поля, то этоэффект Керра. Эффект Поккельса наблюдается в некоторых анизотропных кристаллах,когда эффект Керра в ряде жидкостей (нитроглицерине, сероуглероде).

Акустооптические модуляторы основаны наакустооптическом ЭФФЕКТЕ – изменении показателя преломления вещества подвоздействием ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны возбуждаются в веществес помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора с малымвыходным сопротивлением и большой акустической мощностью.

Наиболее простым с точки зрения реализации видоммодуляции является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности наоснове полупроводникового источника излучения. На рис.4.3 представлена схемапростейшего прямого модулятора. Здесь исходный сигнал через усилитель подаётсяна базу транзистора V1, в коллектор которого включенизлучатель V2. Устройство смещения позволяет выбратьрабочую точку на ватт-амперной характеристике излучателя. Именно прямая  модуляцияиспользуется на городской телефонной сети в системах «Соната-2» и ИКМ-120.

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/> /> /> /> /> /> />

/>

/>

/> 
/>/>/>/>4.1.2.    Оптическийпередатчик

На рис.4.6 представлена структурная схема оптическогопередатчика (ОП) с прямой модуляцией несущей. Преобразователь кода ПКпреобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигналпоступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в видепередающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемыстабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера  илисветоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальныйусилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированныйоптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощностиизлучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который черезвспомогательное волокно  ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала.Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощностиизлучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий входусилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи,охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизациярабочей точки излучателя. При повышении температуры энергетическаяхарактеристика лазерного диода смещается (рис.4.5), и при отключенных цепяхстабилизации мощности уровень оптической мощности при передаче «0» (Р0) и припередаче «1» (Р1) уменьшаются, разность тока смещения Iби порогового тока Iп увеличивается, а разность Р1-Р0уменьшается. После времени установления переходных процессов в цепяхстабилизации устанавливаются новые значения Iб и Iп и восстанавливаются прежние значения Р1-Р0 и Рср. Дляуменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическоммодуле имеется схема термокомпенсации (СТК), поддерживающая внутри ПОМпостоянную температуру с заданным отклонением от номинального значения. Современныемикрохолодильники позволяют получать отклонения не более тысячных долейградуса.

/>/>/>/>4.1.3.   Оптический приемник.

Структурная схема оптического приемника (ОПр)показана на рис.4.7. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразованияоптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиленияполученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигналчерез фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника,обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейнойкоррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи настыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигналпоступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовыхимпульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ),принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеетсяпреобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.

/> /> /> /> /> <td/> /> /> /> /> />

/>/>

/>/>/>/>4.2.    Выводы.

В главе рассмотрены основополагающие принципыпостроения волоконно-оптических систем передачи на городской телефонной сети.

На ГТС  ВОСП используются для уплотнениясоединительных линий, для которых характерна небольшая длина, что позволяетотказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации.Волоконно-оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартногоканалообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизироватьсуществующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.

В качестве линейного кода  ВОСП ГТС используетсякод CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов,контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другомсимволов не превышает двух – трех, что положительно сказывается на устойчивостиработы  ВОСП.

Практически во всех волоконно-оптических системахпередачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучениясейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для ниххарактерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающиеоптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковыхисточников излучения характерны невысокая стоимость и простота обеспечениямодуляции.

В качестве приемников излучения вволоконно-оптических систем передачи на ГТС применяются лавинные фотодиоды,достоинством которых является высокая чувствительность. Однако, прииспользовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источникапитания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинногоумножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит отнапряжения и температуры.

Передача оптических сигналов в ВОСП на ГТСосуществляется в многомодовом режиме, поскольку соединительные линииотносительно коротки и дисперсионные процессы в оптических волокнахнезначительны. На сегодняшний день для городской телефонной сети используютсякабели марки ОК имеющие четыре или восемь ступенчатых многомодовых волокон.

В ближайшие годы потребность  в увеличении числаканалов будет расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускнойспособности  ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокнудвух сигналов в противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связинаходят применение одноволконные  ВОСП с оптическими разветвителями и соспектральным разделением.

Принимая материалы  обзора существующих методовпередачи на волоконно-оптических системах передачи городских телефонных сетейза основу переходим к рассмотрению следующей главы.

/>/>/>/>5.   Выбор и обоснование структурной схемы передатчика/>/>/>/>5.1.   Возможные методы построения структурных схем одноволоконных ВОСП.

Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связинаходят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральнымразделением. Кроме того, на низких скоростях передачи до 140 Мбит\с, гденаблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратногорассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Рассмотрим несколько методов и схем построенияодноволоконных ВОСП различных типов и различного назначения.

/>/>/>/>5.1.1.   ВОСП, на основе различных способов разветвления оптических сигналов.

Данная группа схем включает в себя овдноволоконныеВОСП с оптическими разветвителями, с оптическими циркуляторами, устройствамиспектрального разделения, а также фильтрами разделения мод оптическогоизлучения. На рисунке 5.2 показана схема оптической системы передачи смодуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика(ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейногокабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения иразветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователькода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводниковоголазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себяустройство термостабилизации и прямой модулятор;согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующиеустройства (С) оптического волокна  с фотодиодом; фотодетектор(ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У);фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающуюквазиоптимальный  приём сигнала; устройство линейнойкоррекции (ЛК), компенсирующее частотные искажения электрической цепи на стыкефотодиода и первого транзистора усилителя; решающееустройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователькода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

УОРС, в зависимости от типа одноволоконной ВОСП,может представлять собой: оптический разветвитель илициркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального разделения при работе на разныхоптических частотах; модовый фильтр при работе наразных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконнойВОСП можно использовать приближенные соотношения для расчета длинырегенерационного участка (РУ).

Максимальная длина РУ волоконноптической системыпередачи данного типа определяется соотношением:

/> <td/> />
, где Эми – энергетический потенциал одноволоконной ВОСП, дБ;

aов – затуханиесигнала на одном километре оптического волокна, дБ/км;

aуорс  - то же, в устройствеобъединения и разветвления сигналов, дБ;

aусслк – то же,в УССЛК, дБ;

aрс, aнс – то же, в разъемных и неразъемныхсоединителях, дБ;

/> <td/> />
lс – строительная длина оптического кабеля, км. При этом:

, где Эми’ –энергетический потенциал, дБ, ВОСП при отсутствии шума обратного рассеянияизлучения в ОВ;

Ршор/Рш – доля шумаобратного рассеяния в полном шуме на входе решающего устройства.

/> <td/> />
Рассчитаем длинурегенерационного участка одноволоконной ВОСП первого типа при следующихисходных данных: Эми=35 дБ, Зэ=6 дБ, aов=1 дБ, aнс=aусслк=0.1дБ, aрс=1дБ, lс=2 км. Так по формуле (2), при использовании оптическихразветвителей с aуорс=4дБ:

/>/>

/>

/>/>/>/>5.1.2.    ВОСП,основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени.

Во второй группе схем для разделенияразнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители,переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной ВОСП сигналас модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо УОРСиспользованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 5.1).

Будем рассматривать устройства оптическогопереключения двух вариантов – оптические переключатели (П) и соединениеоптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигналпоступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором – поцепи управления направлением оптической волны накачки ОУ.

Максимальная длинарегенерационного участка для второй группы схем определяется соотношением:

/> <td/> />
, где aуоп – затухание сигнала в УОП, дБ;

Эми” – энергетическийпотенциал одноволоконной ВОСП, определяемый соотношениями:

1)   Эми”=Эми’ при использованииоптических переключателей (Эми’–энергетический потенциал обычной ВОСП с учётомспециального кодирования).

2)   Эми”=Эми’-10lg(1+Ршоу/РШ) прииспользовании ОР с ОУ, где Ршор и Рш – мощности эквивалентного шума на входеоптического приемника и шума ОУ на его выходе, дБ.

Затухание сигнала в устройстве оптическогопереключения определяется соотношениями:

1)   aуоп=aп при использовании оптическогопереключателя, где aп – затухание сигнала в оптическом  переключателе;

2)  aуоп=aор-Коу при использовании оптическогоразветвителя с оптическим усилителем, где Коу – коэффициент усиления ОУ, дБ.

Длина регенерационногоучастка l2 для приведённых выше значений параметров аппаратуры и использованииоптических переключателей(aуоп=3.5дБ), согласно формуле (2.3),составляет:

/> <td/> />
На стоимость одноволоконной ВОСП второй группы существенно влияет выбор типаустройства оптического переключения, особенно в случае использованияоптических  усилителей. Надежность ВОСП этой группы, в отличие от рассмотреннойвыше, существенно зависит от надежности УОП в случае применения оптическогоусилителя, так как для накачки таких усилителей применяются полупроводниковыелазеры./>/>/>/>5.1.3.    ВОСПна основе использования различных видов модуляции.

Третья группа схем одноволоконных ВОСП  основана наиспользовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов исоответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влиянияразнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 5.3) примененыкогерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (дляодного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляциясигнала. В отличие от ВОСП первой группы (рисунок 5.1), оптические передатчики– когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты иформирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработкусигналов с заданной модуляцией.

/>/>

В когерентных оптических приемниках (КОПр)используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения иустройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор(ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ),амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемогосигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконнойВОСП третьей группы, в которой в одном направлении передачи использованамодуляция по интенсивности, а в другом – когерентная модуляция (КОИ-АМ илиКОИ-ЧМ) оптического сигнала.

/>/>

На рисунке 5.4 приведена схема, в которойиспользована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическимисигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. Вотличие от ВОСП первой группы (рисунок 5.2), оптические передатчики такихсистем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптическихприёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройкигенератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) икомпаратор (КОМ).

Для передачи информационного сигнала может бытьиспользована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, гденесущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне нахарактеристики одноволоконной ВОСП (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняетсяшум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. Вотличие от ВОСП первой группы, в данной системе используются генераторыподнесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущейчастоты.

 Максимальная длина регенерационного участкаодноволоконной ВОСП третьей группы определяется выражением:

/> <td/> />
, где:

n=11;22;33;

Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ – энергетический потенциал когерентных ВОСП с амплитудной ичастотной модуляцией и ВОСП с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных ВОСПпервой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, амаксимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях– различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 дБ, а Э22’ больше Э11’ на3 дБ.

Длина регенерационного участка для направленияпередачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45дБ) иаппаратура, имеющая приведенные в пункте 2.1.1 параметры, составляет:

/> <td/> />
Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частотылазеров, используемых в ВОСП третьей группы, пока ещё высока, что взначительной степени ограничивает область применения одноволоконных ВОСП сиспользованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показателинадежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковыхлазеров и систем стабилизации их частоты./>/>/>/>5.1.4.   ВОСП с одним источником излучения.

В особых условиях эксплуатации могут бытьиспользованы методы построения одноволоконных ВОСП по схеме на рисунке 5.5.  Воптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазераиспользуется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции(УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2.Большая мощность поступает в МОИ, а меньшая – в оптический приёмник. Воптическом передатчике примятый сигнал подвергается модуляции вторыминформационным сигналом и через УОРС поступает в оптический кабель и далее воптический приёмник на другом конце линии.

/>/>

Такие ВОСП могут быть использованы в экстремальныхусловиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазерычрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

/>
Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконной ВОСПзначительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

Где aор1, aмои – соответственно затуханиесигнала в ОР на выходе 1 и в МОИ, дБ.

Длина l4 для aор1=1 дБ, aмои=3 дБ и приведенных в пункте 5.1.1 значений другихпараметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:

/> <td/> />
Показатели надежности одноволоконной ВОСП  в данном случае определяются главнымобразом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося вэкстремальных условиях экплуатации./>/>/>/>5.2.   Окончательный выбор структурной схемы передатчика./>/>/>/>5.2.1.    Выборспособа организации одноволоконого оптического тракта.

При проектировании одноволоконных оптических системпередачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы ииспользуемых технических средств определяется критериями оптимальности. Есликритерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должныиспользоваться оптические разветвители. Максимальная длина регенерационногоучастка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптическихусилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежностии стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическимисточником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемойинформации – системы со спектральным разделением или с когерентными методамипередачи.

С учётом того, что проектируемый оптическийпередатчик предназначен для использования на соединительных линиях ГТС, длянего характерны следующие критерии оптимальности:

1)   Минимальная стоимость и простотареализации;

2)   Длина регенерационного участка неменее        8 км;

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСП,с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконооптическойсистемы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптическихциркуляторов. Данная схема отличается простотой реализации оптическогопередатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения иразветвления оптических сигналов (оптических циркуляторов). Схема обеспечиваетдлину регенерационного участка до   18 км, что удовлетворяет вышеприведённымкритериям оптимальности.

/>/>/>/>5.2.2.    Структурнаясхема оптического передатчика.

/>/>Структурная схема оптического передатчика представлена нарисунке 5.6. Сигнал           в коде HDB от цифровойсистемы разделения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в которомкод HDB преобразуется в линейный код оптической системыпередачи CMI. Полученный электрический сигнал поступаетна усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскадаусиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня,необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает напрямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего длязадания рабочей точки на ватт — амперной  характеристике излучателя и,собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме изполупроводникового оптического излучателя V1 итранзистора V2. Для обеспечения стабильности работыизлучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи(УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал,промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводниковогоизлучателя с оптическим волокном (СУ).

/>/>/>/>5.3.   Выводы

В данной главе производится выбор способаорганизации одноволоконного оптического тракта на основе критериевоптимальности и разработка структурной схемы оптического передатчика длявыбранного способа построения ВОСП.

В главе приведены четыре группы схем построенияодноволоконных ВОСП:

1)    ВОСП, на основеразличных способов разветвления оптических сигналов;

2)    ВОСП, основаннаяна использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени;

3)    ВОСП, на основеиспользования различных видов модуляции;

4)    ВОСП с однимисточником излучения;

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСПдля соединительной сети ГТС является схема волоконооптической системы связи смодуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок2.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика иприемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптическихсигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерационногоучастка до   18 км. Данная схема наилучшим образом удовлетворяет требованиям,предъявляемым к проектируемому оптическому передатчику:

1)   Минимальная стоимость и простотареализации;

2)   Длина регенерационного участка неменее        8 км;

На рис. 3.6 приведена соответствующая структурнаясхема оптического передатчика. В следующей главе, на основании структурнойсхемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема иэлектрический расчет основных узлов.

/>/>/>/>6.    Составлениеи расчёт принципиальной схемы/>/>/>/>6.1.    Общиесоображения по расчёту принципиальной схемы устройства

Первым этапом при проектировании принципиальнойсхемы передающего устройства ВОСП является выбор типа и марки оптическогоизлучателя исходя из предъявляемых к его техническим характеристикамтребований. К основным техническим характеристикам излучателей относятся:

-  мощностьизлучения;

-  длинаволны излучения;

-  ширинаспектра излучения;

-  частотамодуляции;

-  токнакачки;

-  пороговыйток.

Для правильного выбора оптического излучателя впервую очередь следует задаться верным значением  мощности излучения. Для этогонеобходимо определить требуемую оптическую мощность на выходе оптическогопередающего устройства. Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателяпринимается на основании соответствия технических характеристик приборатребуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастаниямощности оптического сигнала.

Вторым этапом является выбор транзистора V2 в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора(Рисунок 6.1). Транзистор вбирают исходя из  характеристик определённого напредыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и пороговоготока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистораи его граничную частоту. Затем задаётся рабочая точка и производится расчётэлементов схемы модулятора.

На третьем этапе необходимо рассчитать согласующийусилитель(СУС). Здесь представляется целесообразным использованиебыстродействующего операционного усилителя, включенного по схемепреобразователя напряжение – ток (рисунок 6.1). Требуется правильно выбрать типоперационного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой ирассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователянапряжение – ток.

/>
/>Четвёртый этап – организация устройства автоматическойрегулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ).Для этого будет использоваться фотодиод V3,подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР идетектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рисунок 6.1).

/>/>/>/>6.2.    Расчётмощности излучения передатчика и выбор типа излучателя/> <td/> />
Значение разности мощности на выходе оптического излучателя и на входеоптического приёмника должно превышать максимальное затухание, вносимоестанционными и линейными сооружениями на участке передатчик – приёмник.Существующие в настоящее время приёмные оптические модули обеспечиваютдостаточно низкий уровень приёма. Приёмное устройство системы «Соната 2»обеспечивает уровень приёма 10‾²мкВт         (-50дБ), в дальнейшем, для расчётов, будемиспользовать это значение как типовое.

Для проектируемой одноволоконной системы связизатухание участка составит:

, где l=8км — длина участка;

aов=5 дБ/км — затухание сигнала на одномкилометре оптического волокна;

aуорс=2 дБ — то же, в устройстве объединенияи разветвления сигналов;

aусслк=1 дБ — то же, в устройстве УССЛК;

aрс=1 дБ, aнс=0.5 дБ — то же, в разъемных инеразъемных соединителях;

/> <td/> />
lс=1 км — строительная длина оптического кабеля./> <td/> />
Тогда минимальный уровень мощности:/> <td/> />
Или:

, где Pпр=-50 дБ – уровень оптического сигнала на приёме.

То есть мощность излученияна выходе передающего модуля должна быть не менее 1.5 мвт. Кроме того, источникизлучения должен работать на длине волны 1.3 и 1.55 мкм и обеспечивать частотумодуляции не менее 8.5 МГц. Принимая во внимание вышесказанное, остановимся навыборе полупроводникового лазерного излучателя ИДЛ 5С-1300, структуры MOCVD выпускаемого НИИ «Полюс». Его технические характеристики:

Длина волны l:                                 1270– 1300 Нм

Мощность излучения Р:                    5мВт

Токнакачки Iн:                                  50 мА

Рабочеенапряжение Uр:                           1,5 В

Пороговыйток In :                                      30 мА

Расходимость пучка:                         200 — 350

Ширина спектра:                               3нм

Диапазон рабочихтемператур:        -400 — +600С.

/>/>/>/>6.3.   Выбор транзистора и расчёт сопротивлений в схеме прямогомодулятора

При выборе транзистора будем руководствоватьсяследующими требованиями к его техническим характеристикам:

-  Постоянныйток коллектора не менее 120 мА;

-  Частотасреза не менее 8.5 МГц;

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен дляприменения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях  вычислительныхмашин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрическиепараметры:

-  Статическийкоэффициент передачи h21э тока в схеме ОЭ при     Uкб=10 В, Iэ=2 мА: h21эмин= 200, h21эмакс = 450;

-  Напряжениенасыщения коллектор – эмиттер Uкэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 0.5 В;

-  Напряжениенасыщения коллектор – эмиттер Uкэнас’при Iк=10 мА, Iб=1 мА, неболее: 0.035 В;

-  Напряжениенасыщения база – эмиттер Uбэнас при  Iк=500мА,     Iб=50 мА, не более: 1.2 В;

-  Ёмкостьколлекторного перехода Ск при Uкб=10 В, не более: 10пФ;

-  Обратныйток коллектора Uкобр при Uкб=10В, не более: 1 мкА;

-  Обратныйток эмиттера Uэобр при Uбэ=4 В,не более: 0.5 мкА;

Предельные эксплуатационные данные:

-  Постоянноенапряжение коллектор – база Uкбmax:30 В;

-  Постоянноенапряжение коллектор – эмиттер Uкэmax                        при Rбэ<1 кОм: 30 В;

-  Постоянноенапряжение коллектор–эмиттер Uкэmaxпри Iэ£10мА: 25 В

-  Постоянноенапряжение база–эмиттер Uбэmax: 5 В;

-  Постоянный ток коллектора Iкmax: 800мА;

-  Постояннаярассеиваемая мощность коллектора Pmax: 0.5 Вт.

Далее зададим режим работы транзистора (рабочуюточку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристиктранзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы.При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо £ 0.45×Uкmax. Пусть (с учётом приведённого условия) Uкэо=6 В.Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40мА, то Iко=40 мА, тогда ток покоя базы Iбо=0.135 мА. Поскольку максимальный ток накачки лазера 120мА, то максимальный ток коллектора составит Iкм=120 мА,тогда Uкэм=1.7 В и Iбм=0.47 мА.По входным характеристикам транзистора определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и Амплитудное значение Uбм=0.74В.

Таким образом, режим работы транзистораопределяется следующими параметрами:

-  напряжениепокоя коллектора:                Uкэо=6 В;

-  ток покояколлектора:                               Iко=40 мА;

-  ток покоябазы:                                         Iбо=0.135мА;

-  напряжениепокоя базы:                           Uбо=0.71 В;

-  Амплитудатока базы:                               Iбм=0.47 мА;

-  Амплитуданапряжения на коллекторе:   Uкэм=1.7 В;

-  Амплитудатока коллектора:                             Iкм=120мА;

-  Амплитуданапряжения на базе:              Uбм=0.74 В.

Задав режим работы транзистора, переходим к расчетуэлементов схемы модулятора (рисунок 6.4). Здесь транзистор включен по схеме собщим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.

/>
/>

/>Падениенапряжения в эмиттерной цепи должно удовлетворять условию:

где Еп – напряжение питания модулятора.

Зададимся стандартным напряжением питания Еп=12 В,тогда:

/>

Сопротивление Rэрассчитывается по формуле:

/>

/>Ток делителя Iд должен не менее, чем в шесть раз превосходить ток покоябазы Iбо:

Соотношение между напряжением на эмиттерномсопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Дляобеспечения более глубокой  стабилизациирежима лучше взять URэ ≥ Uф.

/>Пусть:

/>Тогдасопротивление фильтра определяется следующим образом:

/>Падениенапряжения на сопротивлении делителя Rб’’ равно сумме падения напряжения на сопротивлении в цепиэмиттера и напряжении смещения на базе транзистора:

Тогда сопротивлениеделителя Rб’’:

/>

/>

Аналогично найдём сопротивление Rб’:

/>Для схемы сэмиттерной стабилизацией напряжение питания распределяется между тремярезисторами выходной цепи (Rэ, Rк,Rф), лазерным излучателем и транзистором:

, где Uд = 2 В – падение напряжения наполупроводниковом лазере;

URф – падение напряжения насопротивлении в цепи коллектора.

/>Осюда:

Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:

/>

/>/>/>/>6.4.      Расчет согласующего усилителя

Здесь в качестве усилительного элементапредполагается использовать быстродействующий операционный усилитель,включенный по схеме преобразователя напряжение – ток (известной так же вкачестве усилителя с комплексной крутизной передачи). Схема согласующегоусилителя представлена на рисунке 6.1 (функциональная группа СУС). Резистор R5, отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратнойсвязи на положительный входной зажим.

/> <td/> />
Значение сопротивления R5, определяется исходя изследующего условия:

 , где Rн – сопротивление нагрузки усилителя.

 Сопротивлением нагрузки усилителя является входноесопротивление прямого модулятора и равно параллельному соединению сопротивленийделителя Rд (из двух параллельно соединённыхсопротивлений в цепи базы

/> <td/> />
Rб’ и Rб’’) и входного сопротивления  транзистора Rвхэ./> <td/> />
Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:/> <td/> />
 Сопротивление делителя:/> <td/> />
Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:/> <td/> />
Таким образом, сопротивление R5:/> <td/> />
Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении R5:

Требуемый от схемы коэффициент усиления равенотношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ΔUR5)к амплитуде входного напряжения. Поскольку на вход согласующего усилителясигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии ТТЛ суровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входногосигнала составит ΔUвх=5-0.7=4.3 В.

/> <td/> />
Тогда коэффициент усиления схемы сотавит:

Обычно номиналы резисторов R1, R3и R4 выбираются одинаковыми, при этом каждый  из них должен превышатьсопротивление R5 не менее чем в 20 раз.

/> <td/> />
Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:/> <td/> />
Сопротивление R2 задаёт коэффициент усиления схемы иопределяется следующим образом:

В настоящее время создан ряд быстродействующихоперационных усилителей (ОУ). Наилучшими качествами с точки зрения автора обладаетоперационный усилитель КР140УД11. Данный прибор выполнен попланарно-эпитаксиальной технологии с изолированным p-nпереходом, имеет скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкс и частотуединичного усиления 15 МГц. Кроме того, за счёт оригинальной схемы ОУотличается высокой стабильностью параметров во всём диапазоне питающихнапряжений от ±5 до ±16 В.

Быстродействующие усилители менее устойчивы посравнению с универсальными ОУ, поэтому для предотвращения генерации с схеменеобходимо уменьшить паразитную ёмкость между выходом ОУ и его инвертирующимвходом. Для уменьшения указанной ёмкости применяют внешние цепи коррекции,состав которых зависит от задачи, которую решает операционный усилитель. Внашем случае будем использовать стандартную схему частотной коррекции,предназначенную для увеличения скорости нарастания выходного напряжения.

/>/>/>/>6.5.    Расчетустройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала

Устройство автоматической регулировки уровняоптического сигнала на выходе передающего устройства должно обеспечиватьстабилизацию средней мощности лазерного излучения. Устройство  АРУ включает всебя следующие основные элементы (функциональная группа АРУ на рис.6.1):

-  Фотодиоддля преобразования оптического излучения, поступающего с выхода лазерногоизлучателя, в электрический ток.

-  Детекторавтоматической регулировки уровня и усилитель постоянного тока, выполненный наинтегральной микросхеме.

Следует обратить внимание на то, чточувствительность фотодиода в данном случае роли не играет, по этому при выборетипа фотодиода будем руководствоваться такими параметрами как надёжность инизкая стоимость. В соответствии с приведёнными требованиями в схеме АРУпредполагается использование p-i-n фотодиода, посколькуданный тип фотодиодов обладает наивысшей температурной стабильностью, невысокойстоимостью и требует низкого напряжения питания. Поскольку фотодиодотечественного производства ФД-227 обладает относительно невысокимикачественными показателями, следовательно, имеет меньшую стоимость, то имеетсмысл для построения устройства АРУ использовать именно данный фотодиод.

/> <td/> />
 Рассчитаем среднее значение напряжения, поступающего на вход детектора АРУ.Для этого определим среднюю оптическую мощность, попадающую на фотодиод:

, где Рпер = 2,43 дБ –средняя мощность оптического сигнала на выходе излучателя;

        aуорс = 2 дБ – затухание оптическогоразветвителя.

/> <td/> />
Тогда фототок, протекающий в цепи ФД под действием Рфд:

 , где S = 0.3 А/Вт – монохроматическаятоковая чувствительность используемого фотодиода.

/> <td/> />
Среднее значение напряжения на входе микросхемы равно среднему значению падениянапряжения на сопротивлении Rфд в цепи фотодиода:

, где Rару = 200 Ом.

В качестве детектора АРУ и усилителя постоянноготока предполагается использование интегральной схемы К175ДА1. Её основныехарактеристики:

-  Напряжениепитания: Uп = 6 В;

-  Коэффициентпередачи АРУ: Кару = 20

-  Верхняяграничная частота: Fв = 65 МГц.

/> <td/> />
Значение напряжения на выходе микросхемы:/> <td/> />
Далее рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера Rэ’’,служащее для введения напряжения обратной связи, поступающего с устройства АРУ.Для этого зададимся глубиной обратной связи 10 дБ (Fос= 3), и определим сквозную крутизну эмиттерного тока Sэ:

, где /> - среднеезначение статического коэффициента передачи транзистора.

Тогда сопротивление в цепи эмиттера:

/>

/> <td/> />
Следовательно:/> <td/> />
Пусть падение напряжения на сопротивлении фильтра URф1= 1.2 В, тогда значение напряжения АРУ Uару насопротивлении Rэ’’:/> <td/> />
Для сохранения ранее рассчитанного режима работы транзистора при введении АРУнеобходимо уменьшить величину сопротивления Rэ’’:

Тогда:

/> <td/> />
Сопротивление фильтра Rф1 равно:/>/>/>/>6.6.    Расчётёмкостей в схеме оптического передающего устройства/>/>/>/>6.6.1.    Расчётэмиттерной ёмкости

Ёмкость эмиттера Сэ определяется значением сквознойкрутизны эмиттерного тока и периодом повторения импульсов в информационномсигнале. Поскольку скорость передачи проектируемого устройства 8.5Мбит/с, точастота HDB сигнала на входе преобразователя кода FHDB=8.5МГц.Поскольку в линейном коде СМI длительность импульсов вдва раза короче, чем в HDB сигнале, то частотамодулирующего сигнала FCMI=8.5×2=17 МГц.

Отсюда период следованияимпульсов: />.

/> <td/> />
Тогда ёмкость эмиттера:/>/>/>/>6.6.2.    Расчётразделительной ёмкости

 Разделительная ёмкость Ср должна вноситьминимальные искажения во фронт импульсов. Для этого постоянная времени цепидолжна удовлетворять условию [2]: />

, где tи = T = 59 нс –длительность импульса (для сигнала CMI равна периодусигнала).

/> <td/> />
Тогда значение разделительной ёмкости:

, где Rн– сопротивление нагрузки согласующего усилителя (входное сопротивление прямогомодулятора).

/> <td/> />
Rвыхсус – выходное сопротивление согласующегоусилителя:

, где Rвыхоу= 300 Ом – выходное сопротивление операционного усилителя.

/>/>/>/>6.6.3.    Расчётёмкостей фильтров /> <td/> />
Ёмкость фильтра в цепи модулятора Сф определим по формуле:

, где Dф = 10% — подъёмплоской вершины импульса.

/> <td/> />
Значение ёмкости фильтра в цепи АРУ найдем по следующей формуле:

, где Fн = FCMI/10000 = 850 Гц – частота среза фильтра.

/>/>/>/>6.7.    Выводы

Далее номиналы резисторов и конденсаторов схемыопределяются в соответствии с существующими стандартными номиналами,выпускаемыми промышленностью.

Таким образом, в схеме модулятора имеем следующиеноминалы резисторов:

-  Rб’ = 5.6 КОм;

-  Rб” = 1.8 КОм;

-  Rэ’ = 33 Ом;

-  Rэ’’ = 10 Ом;

-  Rк = 33 Ом;

-  Rф = 22 Ом.

В схеме согласующего усилителя:

-  R1 = R3 = R4 = 180 Ком;

-  R2 = 120 Ом;

-  R5 = 10 Ом.

В схеме устройства АРУ:

-  Rфд = 220 Ом;

-  Rф1 = 22 Ом;

Номиналы конденсаторов:

-  Сэ = 0.068мкФ;

-  Ср = 10пФ;

-  Сф = 0.022мкФ;

-  Сф1 = 100мкФ.

Окончательный вариант принципиальной схемыоптического передающего устройства приведён на рисунке 3.5.

В схеме применён лазерный излучатель ИДЛ 5С-1300,работающий на длине волны 1270 — 1300 нм и имеющий выходную оптическую мощностьизлучения 5 мВт. В схеме прямого модулятора применён кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б, предназначенный для применения впереключающих и импульсных устройствах. Для согласования выхода преобразователякода и входа модулятора введён согласующий усилитель на быстродействующемоперационном усилителе КР140УД11. Для стабилизации средней мощности лазерногоизлучения введено устройство автоматической регулировки уровня оптическогосигнала, включающее в себя p-i-n фотодиод ФД-227 иинтегральную схему К175ДА1, используемую в качестве детектора АРУ и усилителяпостоянного тока.

Разработанное передающее устройство рассчитано наработу в составе цифровых многоканальных систем передачи, работающих  соскоростью 8 Мбит/с и предназначенных для работы на соединительных линиях ГТС.

/>/>/>/>7.    Организацияи этапы проектирования ВОЛП

Под волоконно-оптической линией передачи(ВОЛП) понимается совокупность физических цепей, линейных трактов однотип­ныхили разнотипных систем передачи, имеющих общие среду распространения (ОК),линейные сооружения и устройства их технического обслуживания. Документом, наосновании которого ведутся проектные работы, является техническое задание (ТЗ)на проектирование, раз­рабатываемое заказчиком (организацией, ведомством,министер­ством, заинтересованными в создании ВОЛП) и предоставляемоесоответствующей проектной организации (подрядчиком).

Содер­жаниеТЗ включает в себя:

-основаниедля проектирования и назначение ВОЛП ее место в общегосударственной сети связи(местные, внутризоновые, ма­гистральные);

-перспективыразвития;

-описаниеоконечных и промежуточных пунктов, которые свя­зываются различными каналамисвязи, а также пунктов, где рас­сматриваются выделение и ввод каналов связиразличного назна­чения;

-предварительноераспределение числа каналов, предназначенных для передачи различного видасообщений: телефонных, телеграфных, передачи данных, вещания, телевидения идругие рекомендации по использованию типового каналообразующего, оборудования,системы передачи, типа кабеля и источника их по­ставки;

-информацию осуществующих сооружениях связи на вероятной трассе и возможностях ихиспользования для проектируемой ВОЛП;

-информациюоб организациях, ведомствах и министерствах, за­интересованных в строительствепроектируемой ВОЛП;

-описаниеусловий эксплуатации будущих сооружений ВОЛП, требований к показателямнадежности;                       

-указанияо сроках и очередности строительства и возможных путях финансирования;

-стадийностьпроектирования, состав, содержание и число экземпляров проектно-сметнойдокументации (ПСД).

Длятехнологического процесса проектирования и установлены некоторые общиеположения:

Последовательностьпроектирования,реализующая принцип «от общего к частному». Сначала решаются вопросы экономиче­скойцелесообразности проектирования, производственно-хозяйст­венной и социальнойего необходимости, научно-технической воз­можности. Далее принимаются основныеобъемно-планировочные, технологические, конструктивные и другие решения с ихдетализацией в конкретных разделах ПСД.

Вариантность(оптимизация) проектирования -сравнение и оптимизация технико-экономических показателей нескольких ва­риантови выбор варианта, обеспечивающего максимальный эф­фект при минимуме затрат.

Использованиетиповых проектов,обеспечивающее максималь­ное использование типовых решений с привязкой их кконкретно­му проектируемому сооружению с целью снижения затрат и тру­доемкостипроектирования, повышения качества проектных работ т.е. технико-экономическихпоказателей, по сравнению с индиви­дуальными проектами.

Комплексностьпроектирования,т.е. учет самых различных факторов и одновременное, взаимоувязанное принятиепроектных решений по всем объектам будущего строительства Комплекс­ностьдостигается системным подходом к проектированию.

Решениео целесообразности и возможности сооружений ВОЛП принимается на основе техникеэкономического обоснования (ТЭО). Основанием для разработки ТЭО является ТЗ.Решения, принятые на этапе ТЭО, оформляются в виде пояснительной за­писки,которая имеет следующие разделы:

Введение, где отражены цели и задачи строительства,основ­ные положения ТЗ на разработку ТЭО.

Исходныеданные, анализсостояния и перспективы развития связи в районе строительства ВОЛП.

Обоснованиевыбора типа систем передачи, их числа на ос­нове определения числа каналов для передачиразличноговида сообщений.

Разработкасхемы организации связи,включающейв себя анализ вариантов прохождения трассы и ее выбор, выбор мест размещенияОРП и НРП, сетевых узлов связи, обеспечение связью населенных пунктов,расположенных по трассе.

Основныетехнологические решения, где отражены ситуацион­ная схема трассы, ее географические,метеорологические и геоло­гические особенности, наличие ЛЭП иэлектрифицированных железных дорог, внешних коммуникаций и инженерных сетей;дает­ся анализ условий эксплуатации оборудования ВОЛП и др.

Основныестроительные решения, где указываются объемы и типы станционных сооружений, вспомогательныхтехнических зда­ний, возможности использования типовых проектов.

Организациястроительства,включающая в себя состав, объем и содержание проектной документации, срокипоставки оборудо­вания, рекомендации по очередности ввода пусковых объектов.

Себестоимостьстроительства, суказанием намечаемых разме­ров капиталовложений по различным альтернативнымвариантам и основных технико-экономических показателей, определяемых поукрупненным показателям.

Выводыипредложения— сравнительная оценка вариантов, рекомендации постадийности проектирования, основные требова­ния по выполнению изыскательских,опытно-конструкторских и ис­следовательских работ. После разработки ТЭОподвергается экспертизе и утверждает­ся соответствующими организациями.

Проектированиесооружений связи осуществляется в одну ста­дию (одностадийное проектирование) вслучае наличия типовых или повторно применяемых проектов и технически несложныхобъ­ектов. Для других объектов используется двухстадийное проекти­рование.Стадийность разработки ПСД устанавливается заказчи­ком в задании напроектирование. Основными элементами ПСД при одностадийном проектированииявляются технорабочий про­ект, включающий в себя основные разделы ТЭО, рабочиечерте­жи и сводный сметный расчет. При двухстадийном проектирова­нии на первойстадии разрабатывается технический проект, содер­жащий ряд обязательныхразделов, аналогичных ТЭО, и сводный сметный расчет стоимости строительства.После утверждения тех­нического проекта на второй стадии разрабатываетсярабочая до­кументация, содержащая рабочие чертежи и сметы.

РазработкаПСД требует проведения комплекса изыскательских работ, которые подразделяютсяна экономические и техни­ческие (инженерные). Экономические изысканияпроводятся с целью изучения экономики района будущего строительства, полу­ченияинформации о действующих сооружениях связи, их разви­тии, оматериально-техническом обеспечении намечаемого строи­тельства. Техническиеинженерные изыскания проводятся для изу­чения топографических, геологических идругих природных усло­вий в районе предполагаемого строительства.

Учитываянепрерывное совершенствование элементной базы ВОСП, их практически полноеобновление через каждые 5 лет, сложность и большие затраты при реконструкцииВОЛП, принята следующая последовательность проектных работ:

/ этап. Согласно определенному в ТЗ числуканалов для пере­дачи различных видов сообщений, требований к качеству передачии анализа существующей и разрабатываемой элементной базы ВОСП осуществляютсявыборы каналообразующего оборудования, типа волоконно-оптического кабеля,источника оптического излу­чения, вида модуляции, приемника оптическогоизлучения.

// этап. В соответствии с ТЗ разрабатываетсясхема органи­зации связи, основным элементом которой является анализ топо­логиипостроения региональной сети на основе проектируемой ВОСП; осуществляется выборвариантов трасс.

/// этап.На основетехнических данных компонентов ВОСП, выбранных на первом этапе определяютсяпараметры линейных трактов ВОСП: ширина полосы пропускания, илиширокополосность, число ретрансляторов, длина ретрансляционного участка, атакже исследуется возможность передачи различных сигналов по различнымсветоводам. На этом этапе обязательна многова­риантность в выборе компонентовВОСП на основе технико-эко­номического сравнения.

IVэтап. Анализреакции системы на отклонения параметров ее структурных элементов. В результатеустанавливается пред­почтительный диапазон технических характеристик элементовВОСП, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям в рам­ках достижимойтехнологии и заданной стоимости.

Vэтап. Анализсистемных требований, связанных с условиями прокладки, монтажа и эксплуатацииВОСП, на основании кото­рого производится выбор конструкций ОК, передающего иприем­ного оптических модулей и других элементов системы, способаэлектропитания, различного вида служебных связей, систем теле­контроля,телесигнализации и телемеханики.

VIэтап. Расчеттехнико-экономических показателей различных вариантов, их сравнение и выбороптимального по конкретным критериям.

Необходимоотметить, что разделение технологического про­цесса проектирования на этапыусловно и возможно частичное или полное объединение работ на различных этапах водин, осо­бенно когда речь идет об оптимизации тех или иных проектных решений.

Похарактеру и степени участия человека, применения вычис­лительной техники приразработке ПСД различают следующие режимы проектирования:

-автоматический,при котором проектирование ведется по фор­мальным алгоритмам на ЭВМ безвмешательства человека;

-автоматизированный,при котором проектирование частично выполняется автоматически, а частично—сиспользованием ЭВМ;

-диалоговый,более совершенный режим, когда все процедуры проектирования выполняются спомощью ЭВМ, а участие человека заключается в оперативной оценке результатовпроектирования и их коррекции;

-автоматизированныйсовместно с диалоговым. Это более совершенный режим проектирования.

/>/>/>/>8.    Перспективыразвития волоконно-оптической связи

Основныедостоинства ВОЛС и некоторые области их исполь­зования перечислены на рис. 8.1.

Для системсвязи существенны­ми являются показатели 1—5, для автоматизированных системуправления и ЭВМ—показатели 1—3. Мобильные подвижные системы требуют в первуюочередь обеспечения показателей 1,2,6.

/> <td/> />
Область возможных примененийВОЛС весьма широка — от линий внутригородской связи и бортовых комплексов досистем связи на большие расстояния с высокой информационной ем­костью. Наоснове оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новыесистемы передачи информа­ции, а также существенно улучшены и удешевленысуществующие системы.

Рис 8.1. Основные достоинства и

главные области применения ВОЛС

Весьмаперспективно применение опти­ческих систем в кабельном те­левидении, котороеобеспечи­вает высокое качество изобра­жения и существенно расши­ряетвозможности информаци­онного обслуживания индивидуальных абонентов. В этомслучае обеспечивается заказная система приема и предоставляется возможностьабонентам получать на экранах своих телевизоров изображения газетных полос,журнальных страниц и справочных данных из библиотек, учебных центров,специальных центров хранения информации. Развитие получит видеотелефоннаясвязь, при которой абоненты смогут не только слышать, но и ви­деть друг друга.Перспективной областью применения ВОЛС яв­ляется высокоскоростная связь внутримощных ЭВМ, между ЭВМ и терминалами, а также между отдельными ЭВМ на расстоянииот нескольких метров до десятка километров.

Представляетинтерес применение ВОЛС в системах управле­ния производственными процессами вусловиях повышенной опас­ности для здоровья человека (например, на атомныхэлектро­станциях, химических предприятиях), а также в условиях силь­ныхэлектромагнитных помех, возникающих при включении и выключении силовых кабелей,сильноточных реле и т. д.

Высокаяпомехозащищенность, скрытность передачи, малая масса и небольшие габаритныеразмеры особенно важны при ис­пользовании ВОЛС в бортовой радиоэлектроннойаппаратуре са­молетов, танков, кораблей и подводных лодок.

ПервыеВОЛС использовали длину волны 0,8...0,9 мкм и были разработаны на многомодовыхволокнах. В настоящее время получили развитие более длинные волны 1,3...1,6 мкми одномодовые волокна. Потери в оптических волокнах при этом снижаются до0,2… 0,5 дБ/км, что позволяет увеличить длину регенерационного участка влинии связи до 50…80 км. Это дает возможность использовать ОК в междугороднейсвязи, так как ис­ключается потребность в дистанционном электропитании линей­ныхрегенераторов и упрощается конструкция кабеля (не нужны медные жилы длядистанционного питания НУП).

Запоследнее время появилось новое направление в развитии волоконно-оптическойтехники — использование среднего инфра­красного диапазона волн 2… 10 мкм.Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0,2 дБ/км. Этопозволит осуществить связь на большие расстояния с участками регенера­ции до100 км. Исследование фтористых и халькогенидных сте­кол с добавками циркония,бария, а также других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасномдиапазоне волн, позволит еще больше увеличить длину регенерационного участка.

Следуетотметить, что если раньше в основном применялись ступенчатые многомодовыеволокна, то сейчас развитие идет по пути внедрения градиентных и одномодовыхволокон. Изготовле­ние последних сложнее (диаметр сердечника 6… 8 мм), однакоони обладают широкой информационно-пропускной способностью и дальностьюпередачи. Оптические кабели с одномодовыми волокнами получили раз­витие намеждугородных линиях связи большой протяженности и на подводных магистралях.

/>/>/>/>9.   Контрольно-измерительная аппаратура, применяемаяпри строительстве ВОСП

Всоответствии с нормативными материалами по проектированию НП. 132-4-91 длялинейно-кабельных сооружений связи на базе ВОЛС предусматривается переченьизмерительных приборов (табл. 9.2) для оснащения кабельных участков (КУ) илинейно-технических цехов (ЛТЦ).

К основным средствамизмерения ВОЛС следует отнести источники оптического излучения, ваттметрыоптической поглощаемой мощности, комплекты для измерения затухания оптическихсигна­лов и оптические рефлектометры.

Вкачестве образцовых для поверки и аттестации средств изме­рений ВОЛСиспользуются следующие приборы:

1.Ваттметр оптический образцовый ОМЗ-100, предназначен­ный для поверки средствизмерений средней мощности оптического излучения. Основные техническиехарактеристики прибора:

Диапазон измерения мощности, Вт, на длине волны, мкм:

0,6 … 1                                                                                                 10-9… 10-2

1 … 1,6                                                                                                 10-8… 10-2

Погрешность измерения, %:

относительных уровней мощности                                                         1,5

средней мощности на длине волны калибровки                                 4

 во всемспектральном диапазоне                                                           9

2. Образцовый оптическийпреобразователь 2901, отличающий­ся высоким быстродействием, малыми размерами имассой. Его основные технические характеристики:

Диапазон длин волн,мкм                                                                           1… 1,6

 Чувствительность,А/Вт, на длине волны 1,3 мкм                               0,5

 Время нарастанияпереходной характеристики, нс, не более       0,05

Напряжениепитания от батареи, Вт                                                      1 5

3.Образцовое средство измерений средней мощности малых уровней (ОСИ СМ-М),предназначенное для поверки и высокоточных измерений средней мощностиоптического излучения в ВОСП. Содержит два фотоприемных блока соответственно скремниевым (l=0,85мкм) и германиевым (l==1,3 мкм) фотодиодами, а также блок регистрации и представленияинформации. Его основные тех­нические характеристики:

Длина волны излучения, мкм                                                        0,85;1,3

Диапазонсредней мощности, Вт                                                 10-8… 10-1

Основнаяпогрешность, %:

на длиневолны калибровки                                                          5

вдиапазоне длин волн                                                                   8

измеренийотносительных уровней мощности                                   2

4. Оптическийэхогенератор предназначен для поверки и атте­стации оптических рефлектометров,работающих методом обрат­ного рассеяния. Вырабатывает в ответ на зондирующийимпульс поверяемого рефлектометра пару «эталонных» импульсов с за­даваемыми свысокой точностью временными интервалами и пере­падами амплитуд между ними, чтопозволяет моделировать про­хождение излучения по световоду.

Его технические характери­стики:

Длина волныизлучения, мкм                                                        0,85; 1,3

Длительностьгенерируемых парных импульсов, нс,

врежиме:

временныхинтервалов                                                                  10,25, 50, 100

ослаблениямощности                                                                    4000

Диапазонвоспроизводимых временных интервалов, с       10-7 … 10-3

Погрешностьвоспроизведения

временныхинтервалов, нс                                                                        1

Динамическийдиапазон

воспроизведенияослаблений, дБ                                              0,5..30

Погрешность воспроизведения ослабления, дБ                     0,1… 0,2

К вспомогательнымсредствам для производства измерений в первую очередь следует отнестиустройства для подключения 0В к средствам измерения. С этой целью используютсяразъемные оптические соединители. Основные характеристики наиболее ши­рокоиспользуемых соединителей приведены в табл. 9.1.

Дляподключения неоконцованных 0В используются адапте­ры, в том числе адаптеры-вилкибыстрого оконцевания, совме­стимые со стандартными разъемными оптическимисоединителями «Лист-1-Булава», «Лист-Х», FS (“Левша”), SMA.

Таблица9.1

Наименование Диаметр на­конечника, мм Тип 0В Резьба присоедини­тельной гайки Вносимые потери, дБм

«Лист-1-Булава» «Лист-Х»

SMA 905

FS («Левша»)

2,5

2,5

(1/8)"

2,5

MM

«

«

ММ/ОМ

М8Х0,5

М8ХО,75

(1/4)"-36UNS

М8Х0,75

0.2… 2

0,2… 2

0,2… 2

0,2… 2

Таблица 9.2 Перечень измерительныхприборов для строительства ВОЛС

Наименование прибора

Тип, марка Число

 

Приборы для измерения параметров кабелей связи и определения мест повреждений

 

Прибор кабельный переносной ПКП-5 2

 

Мост кабельный высоковольтный Р-41270 1

 

Источник напряжения постоянного тока П-4110 1

 

Измеритель неоднородностей линии Р5-10/1 2

 

Поисковое устройство для определения места

электрического пробоя кабеля

УПП 1

 

Измеритель оптических кабелей:

с градиентным 0В (l=1,3 мкм)

с одномодовым OB (l=l,3 мкм)

 

ОД-1-20 или

ОД-1-20/2

ОД-1-20/3

1

1

 

Тестер оптический ОМКЗ-76Б 1

 

Оптический рефлектометр «Горизонталь» 1

 

Оптический рефлектометр «Горизонт-П» 1

 

Измеритель затухания (переходных влияний)

для кабелей с ЦСП:

ИКМ-120А, ИКМ-120У

ИКМ-480С

 

ИЗКЛ-120А 1

 

ИЗКЛ-С 1

 

Измеритель затухания кабельных линий для

ЦСП ИКМ-480С

ИЗКЛ-4 1

 

Приборы для измерения параметров защиты кабелей от коррозии,

ударов молнии и внешних источников электромагнитных влияний

 

Сигнализатор горючих газов СТГ-1 1

 

Монометр для точных измерений МТИ, модель 1218 1

 

Прибор электроизмерительный комбинированный Ц-4342-м1 1

 

Измеритель сопротивления заземлений М-416/1 1

 

Полевая нагнетательно-осушительная уста­новка ПНОУ-3 1

 

Мультиметр цифровой специализированный Ц-34132 2

 

Трассопоисковые приборы

 

Искатель скрытых коммуникаций ИКС-1 2

 

Комплект трассопоисковых приборов в соста­ве:

генератор и блок сетевого питания

универсальный приемник

поисковое устройство для определения трассы

кабеля

поисковое устройство для уточнения мест повреждения шлангового покрова кабеля

комплект вспомогательных устройств (клещи

для индуктивного возбуждения кабеля, штыри, заземления, контактные штыри для акустического зондирования, коловорот и др.)

КТП-2Г

КТП-2БП

1

1

КТП-2П 1 УПТ 1 УПИ 1 1 Комплект устройства для фиксации местоположения соединительных муфт кабельной линии связи УФСМ По согласованию с заказчиком

 

Примечание.Средства измерения 1-5, 10-12, 14-17, 19 и 20 необходимы только в случае исп-яОК с металл. элементами.

/>/>/>/>9.1.    Электрическиепроверки основных стоек и блоков аппаратуры ВОСП

Работы по электрическим проверкам аппаратуры ВОСП вклю­чают подготовкустанционного оборудования к настройке и про­верку стоечной сигнализации, работыСОЛТ, СТМСС и стоек ДП.

Подготовку станционногооборудования к настройке начинают после монтажа оборудования с установки всехнеобходимых за­глушек на стойках. К соответствующим клеммам согласно техни­ческойдокументации подключают телефонные аппараты. По окончании подготовительныхработ проверяют состояния заводского и станционного монтажей, наличие входящихкомплексов и пане­лей блоков. После этого устанавливают соответствующий режимработы СОЛТ — оконечный пункт, оконечный регенерационный  пункт без ответвленияили с ответвлением. В стоечной сигнализации проверке подлежат вторичныеисточники питания и цепи индикации стоек, которая осуществляется созданиемискусственных неисправностей согласно регламенту. При возникновении всех типовнеисправностей должна сработать сигнализация. Типичные неисправности аппаратурыВОСП сле­дующие: отсутствие сигнала от аппаратуры группообразования; аварияпреобразователя кода приема; авария преобразователя кода передачи; отсутствиесигнала в сторону аппаратуры группообразования; авария преобразователялинейного кода передачи; авария преобразователя линейного кода приема; аварияплаты передачи; неисправность источников вторичного электропитания; аварийноесостояние излучателя; отсутствие сигнала в линию большое число ошибок;отсутствие входного сигнала.

Проверкастойки СОЛТ заключается в измерениях уровня средней оптической мощности на еевыходе и коэффициента оши­бок Кош платы приемника (рис.9.1). Уровеньмощности и Кош контролируют в течение интервала времени,предусмотренного Регламентом на заданный тип аппаратуры ВОСП, в каждом ли­нейномтракте. Результаты должны соответствовать паспортным данным аппаратуры.

НаСТМСС проверяют сигнализацию при пропадании напря­жения вторичных источниковпитания, работу телемеханики, час­тоты и уровни сигналов телемеханики ислужебной связи, набора номера, занятия и приоритета в канале.

Встойке ДП проверяют питающие напряжения и токи в рабо­чем режиме и режиме«Резерв», срабатывание сигнализации при отклонениях входного и выходного токовот номинальных значе­ний, превышающих допустимые для данного типа аппаратуры, атакже срабатывание сигнализации при +5 и +10%-ных изменениях входного тока.Выходной ток должен быть номинальным.

/>

Рис. 9.1. Схема измерения коэффициента ошибок:

ДО—дешифратор ошибок; ГК—генератор кода;УРЗ—устройство регулируемого затуха­ния; ОТ — оптический тестер

 

/>/>/>/>9.2. Проверка оборудования в режиме «На магистраль»

Проверка оборудованияв режиме «На магистраль» включает в себя: подготовку оборудования линейноготракта; проверку си­стемы служебной связи; измерение диаграммы уровней каналапостанционной участковой служебной связи (ПУСС). В програм­му измерениядиаграммы уровней входит проверка восьми уров­ней: уровня передачи от абонента1 по каналу ПУСС-А; то же, по каналу ПУСС-Б; уровня передачи на выходеответвления; уровня передачи от абонента 2 по каналу ПУСС-А; то же, по ка­налуПУСС-Б; уровня приема на телефон абонента 1; то же, або­нента 2; уровня сигналапри приеме с ответвлением. Номиналь­ные значения уровней и их отклонения должнысоответствовать паспортным данным.

Работыпо измерению ЛЧХ канала ПУСС, проверкам посылки вызова в А (Б) по каналам ПУССи прохождения разговора между абонентами, а также работы стоек при приемесигнала «Прио­ритет» и организации шлейфа с близлежащим ОРП производятсясогласно Регламенту на аппаратуру ВОСП.

10.   />/>/>/>Технико-экономическое обоснование волоконно-оптическойлинии связи городской телефонной станции.

Если на ранних стадияхразвития новой технологии для ее становления и развития достаточной движущейсилой может служить простая любознательность, то после того как четкоопределится ее уровень развития и области применения, стимулирующим фактором развитияэтой технологии может стать только ее существенное экономическое преимущество.В случае оптических волокон такое экономическое преимущество может проявлятьсяпо-разному в различных областях применения и для убедительного доказательствацелесообразности разработки системы передачи данных с применением оптическихволокон или без них требуется комплексная оценка этой системы.

Например, в случае связина большие расстояния сравнение затрат характеризуется большей стоимостьюоптического волокна по сравнению со стоимостью электрического кабеля даннойинформационной пропускной способности. Однако по стоимости преимущество будетна стороне оптического волокна, за счет того, что оно дает возможностьустанавливать ретрансляторы на большие расстояния друг от друга, причем этопреимущество становится значительным, если ретрансляторы можно расположить иподвести к ним питание внутри существующих станций, благодаря чему исключаетсянеобходимость станций с дистанционным питанием.

При связи на короткиерасстояния важной становится стоимость оконечного оборудования, включаяэлектрические устройства питания источника излучения и оптического устройстваприемника, а также устройства модуляции и детектирования сигнала. Разумеется,нет четкой границы между длинными и короткими линиями связи, но считают, чтоона находится где-то в области 1 … 10 км.

Комплексную оценку всейсистемы можно дать, взяв в качестве примера систему передачи данных,предназначенную для использования на современных военных самолетах. Простаязамена существующих электрических систем передачи данных оптическим волокномдаст очень малую экономию, если вообще даст, а стоимость оконечногооборудования значительно возрастет. Однако за время всего 20 – летнего срокаслужбы самолета будет иметь место значительная экономия расхода топлива за счетснижения массы волоконно-оптических систем передачи данных. Если самолет находится в стадии проектирования и можноизменить его конструкцию, то экономия топлива увеличится еще больше за счеттого, что меньшие масса и размеры ВОСП позволяют уменьшить размеры и массусамолета. Кроме того, можно проложить ВОСП в местах с высокимиэлектромагнитными помехами или на участках, где находятся взрывчатые вещества,которые пришлось бы обойти при прокладке традиционных электрических линийпередачи. В результате этих мероприятий возможно уменьшение массы самолета ~ на 1 т.

Исследования такого родаобычно проводятся специалистами и заказчиком. Для многих применений ВОЛСважнейшим качеством их является невосприимчивость к внешним электромагнитнымполям. Это качество трудно переоценить. Проблема борьбы с электромагнитнымипомехами самой различной природы, включая взаимные помехи многочисленныхсредств связи, является в современных условиях едва ли не самой острой. Обычныесистемы связи предусматривают весьма сложные и дорогие средства защиты отпомех, создаваемых транспортом на электрической тяге, разнообразнымиэнергетическими, технологическими и другими электроустановками. Особеннотяжелой становится проблема, названная электромагнитной совместимостью, вситуации, когда в относительно небольшом пространстве приходится размещать иэнергетические установки, и системы автоматики и телеуправления, иразветвленную сеть связи с многочисленными абонентскими устройствами. Такаяситуация возникает на многих промышленных предприятиях, в различных центрахуправления, на транспортных средствах – кораблях, самолетах и др.

Использование ВОЛСрадикально решает проблему электромагнитной совместимости. Заметим, что здесьвовсе не обязательно речь идет о больших скоростях передачи и, тем более, обольших дальностях связи. Таким образом, ВОЛС становится буквально незаменимойи вследствие того, что она свободна от внешних помех, в том числе и от помех состороны соседних ВОЛС.

В качестве следующегодостоинства укажем на малые габаритные размеры и массу оптических кабелей.Неизмеримо упрощается прокладка магистральных и зоновых линий связи. Отпадаетнеобходимость использования тяжелой машинной техники, необходимой для земляныхи строительных работ при подготовке трасс, для транспортировки и укладкитяжелых кабелей. Появляется новое качество – возможность оперативногоразвертывания кабельных линий с большой пропускной способностью, в том числе втруднодоступной местности, с преодолением водных и иных преград.

Очень важен выигрыш вмассогабаритных показателях на транспортных средствах, особенно на летательныхаппаратах. Кроме того, при работе персонала с действующими кабелями невозникает опасности поражения электрическими разрядами. Можно добавить, что идля оконечной аппаратуры не возникает аварийных режимов, которые нередконаблюдаются при коротких замыканиях и обрывах в аппаратуре традиционнойэлектросвязи.

В заключение перечняположительных качеств ВОЛС необходимо подчеркнуть, что волоконные световодыизготавливаются из диэлектрических материалов – кварца, многокомпонентныхстекол, полимеров. На их изготовление не расходуются дефицитные цветныеметаллы. В современных условиях, когда уже сказывается ограниченность мировыхзапасов меди и свинца, переход на недефицитное сырье становится важнейшимфактором для развития техники кабельной связи, т. к. кабельная промышленностьпотребляет до 50 % меди и 25 % свинца общих ресурсов.

Такого рода анализ затратвсегда сложен. Тем не менее, очевидно, что наибольшую экономическую выгодуможно получить, применяя оптическое волокно в составе телефонной системы свысокой информационной пропускной способностью. Это вытекает из относительнойдешевизны пары медных проводов. Если добавить стоимость ретранслятора, тостоимость двусторонней двухпроводной линии связи будет ~ 200$ за 1км. (1 пара) и даже самое дешевое волокно в линиях без ретрансляторов, вкоторых используются простейшие передатчики и приемники (световоды и p-i-n – фотодиоды) не только не будутконкурентоспособными с ней, но затраты могут даже существенно увеличится.

Очевидно, что на болеевысоких уровнях иерархии (скоростях передачи) дополнительные затраты на волокнопо сравнению с коаксиальным кабелем будут более чем компенсированными за счетэкономии на ретрансляторах. Коаксиальные линии связи требуют установкиретрансляторов через каждые 1…2 км., а волоконно-оптические только через 10…20км. Экономия выражается в затратах не только на капиталовложения, но и намонтаж и обслуживание. Она возрастает еще больше, если полностью исключитьретрансляторы с источниками питания.

Можно сделать вывод, чтоволокна имеют очевидные преимущества перед коаксиальными кабелями на болеевысоких уровнях иерархии систем связи. Однако проблема заключается в том, чтона высших уровнях требуется гораздо меньше волокна, чем на низших. Еслисконцентрироваться исключительно на этом, будет трудно создать массовоепроизводство оптического волокна такого объема, который требуется дляреализации экономических преимуществ крупносерийного производства. Поэтому наВОЛС применяются различные системы передачи с пропускной способностью 2, 8, 34Мбит/с и выше. Усилия фирмы British Telecom направлены на создание систем с пропускной способностью 140Мбит/с для междугородних линий и 8 Мбит/с для межстанционных.

Таблица 10.1 — Сравнительныйанализ и области применения электрических и оптических кабелей

Система передачи Скорость передачи Электрический кабель Оптический кабель Область применения Тип кабеля Длина усилитель-ного участка, км. Длина волны, км. Длина регенера-ционного участка, км. ИКМ — 30 2 Симметри-чный 1,5 — 4,5 0,85 15 ГТС ИКМ — 120 8,5

Коаксиаль-ный:

0,7/2,9

1,2/4,4

4

8

0,85

1,3

14

17

ГТС, зоновая связь ИКМ — 480 34

Коаксиаль-ный:

0,7/2,9

1,2/4,4

2,6/9,5

2

4,1

9,3

-

0,85

1,3

-

12

39

Зоновая и магистральная связь ИКМ-1920 140

Коаксиаль-ный:

1,2/4,4

2,6/9,5

2

4,6

0,85

1,3

10

20

Магистральная связь

 

Из таблицы 10.1 видна высокаятехнико-экономическая эффективность оптических кабелей. Во-первых, достигаетсябольшая экономия цветных металлов, во-вторых, обеспечивается существенноменьшее затухание. Так при работе системы ИКМ по электрическому кабелю длинаусилительного участка составляет 9,3 км, а по ОК – 12 км на волне 0,85 мкм и 39км на волне 1,3 мкм.

На рис. 10.1 приведены кривыеотносительной стоимости 1 канал-км для цифровых ВОЛС (кривая 2). На этом жерисунке представлена зависимость средней стоимости 1 канал-км при работе связипо электрическим кабелям (кривая 2).

Рис. 10.1 — Кривыезависимости средней стоимости 1 канал-км при работе связи по электрическимкабелям (1) и оптическим кабелям (2)

/>

Из рисунка видно, что стоимость связи по ОК падает с ростом числаканалов в более резкой зависимости. Имея в виду, что основные потребности нашейстраны в каналах на обозримую перспективу находятся в пределах эффективногоприменения коаксиальных кабелей (от 500 до 10000), они получили широкоеразвитие на магистральных сетях связи. Однако, учитывая достоинства ОК, им ужесейчас отдается предпочтение в новом строительстве как магистральных, так игородских и зоновых сетей связи.

/> <td/> />
Число каналовРис. 10.2 — Эффективность различных направляющих систем

                                                                                     

ВЛ – воздушная линия;

СК – симметричный кабель;

КК – коаксиальный кабель;

ОК – оптический кабель;

В – волновод.

Сравнивая приведенные НСв целом, можно признать, что в сумме показателей наилучшими являютсякоаксиальный и оптический кабели. Хорошим средством передачи широкополоснойинформации является также цилиндрический волновод при использовании волны Н01. Такой волновод позволяет получить большое число телефонныхи телевизионных каналов. Существенным недостатком волноводов являетсягромоздкость конструкции и малые строительные длины.

Симметричные цепи(воздушные линии и симметричные кабели) широко используются для устройствамеждугородних и местных связей в ограниченном диапазоне частот (как правило, до1 МГц). Этим цепям свойственны все недостатки открытых систем – большие потериэнергии и плохая защищенность от взаимных и внешних помех.

Сверхпроводящие кабельныелинии связи являются перспективным средством передачи современной различнойинформации на большие расстояния. Однако технико-экономическая эффективность ихв настоящее время невелика. Сверхпроводящие кабели позволяют организоватьмногоканальную связь на огромные расстояния без электронных усилительныхустройств. Но для поддержания низких температур необходимо иметь через каждые10…20 км криогенные станции, стоимость которых довольно высока. Поэтому затратына сооружение сверхпроводящей магистрали пока еще значительно превышают затратына обычную кабельную магистраль. В настоящее время сверхпроводящие коаксиальныекабели получили применение в антенно-фидерных устройствах и различныхустановках радиоэлектроники.

Из рис. 10.2 видна вполнеобоснованная закономерность снижения стоимости 1 канал-км линии связи сувеличением числа каналов. Стоимость канала обратно пропорциональна 1/^N, где N – число каналов. В этом плане имеется прямая связь междуэкономичностью системы и ее широкополосностью. Как видно из рисунка, самойдешевой является связь по световоду и волноводу, затем идет коаксиальныйкабель, и, наконец, самой дорогой является связь по воздушным линиям.

/>/>/>/>10.1.  Спектральноеуплотнение каналов.

При созданиимагистральных линий связи на большое число каналов следует учитыватьвозможности, открываемые спектральным уплотнением (мультиплексированием)оптических каналов. Сущность последнего состоит в том, что в волоконныйсветовод вводится одновременно излучение от нескольких источников, работающихна разных длинах волн, а на приемном конце с помощью оптических фильтровпроисходит разделение сигналов. Спектральное уплотнение позволяет существенноувеличить пропускную способность оптических кабелей и организовать двустороннююсвязь по одному волокну. При этом достигается значительный экономический эффектза счет сокращения стоимости используемого волокна в линейном кабеле. Например,на линиях зоновой сети спектральное уплотнение четырех каналов дает экономию500…750 тыс. руб. в расчете на один регенерационный участок длиной 20…30 км(при стоимости 1 м. ОК ~ 3…4руб.). Кроме того, этот метод позволяет обеспечивать развитие сети безпроведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленныесети древовидной или кольцевой конфигурации с пассивными элементами спектральногоуплотнения в местах разделения или выделения потоков. При этом расширяютсявозможности передачи сигналов с различными скоростями и типами модуляции –цифровой и аналоговой: телефон, телевидение, телеметрия, сигналы управленияЭВМ, что обеспечивает создание экономических многофункциональных систем связи.Одним из важных преимуществ данного метода является наиболее полноеиспользование сверхширокой спектральной полосы пропускания ОВ. В настоящеевремя уже освоен диапазон 0,8…1,8 мкм. Если принять, что ширина спектральногоканала составляет 10 нм, что уже достигнуто, то в указанном диапазоне можноразместить до 100 спектральных каналов. Например, по данным на 16.03.2000, в диапазоне волн 1,55 мкм при десятиспектральных каналах удалось создать ВОСП с информационной емкостью 3,2 Тбит/с,что эквивалентно 727273 телефонным каналам.

На основании проведенноговыше сравнительного анализа существующих линий связи с волоконно-оптическимиможно сделать вывод, что применение ОК в линиях связи существенно повышаеттехнико-экономические показатели предоставляемых услуг связи и являетсяперспективным направлением в области дальнейшего развития последних.

/>/>/>/>10.2.  Технико-экономическиепоказатели разработки. Расчет себестоимости проектируемого устройства.Определение оптовой цены.

Расчет себестоимости изготовления и оптовой ценыпроектируемого устройства передачи сигналов по ВОСП произведен по отдельнымстатьям затрат методом калькуляции, которые включают в себя:

1.   Основные и вспомогательные материалы;

2.   Покупные комплектующие изделия;

3.   Топливо и энергия на технологическиенужды;

4.   Основная заработная платапроизводственных рабочих;

5.   Дополнительная заработная платапроизводственных рабочих;

6.   Отчисления на социальное страхование;

7.   Расходы по содержанию и эксплуатацииоборудования;

8.   Цеховые расходы;

9.   Общезаводские расходы;

10.                                                                      Внепроизводственныерасходы.

Оптовая цена на каждыйвид материала, покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты принимаются порыночным ценам на 1.11.99г.

/>/>/>/>10.3.  Расчет себестоимостиизготовления устройства./>/>/>/>10.3.1.  Расчет затрат наосновные и вспомогательные материалы.  Ктзр=0.35

Таблица 10.2 — Затраты на основные ивспомогательные материалы.

№ Наименование материала Норма расхода на изделие (ед.) Цена за единицу, (руб.) Общая сумма затрат, (руб.) 1 Стеклотекстолит 7.9986Е-002 30 2.4 2 Полистирол 0.2 5 1 3 Краска маркировочная 1.9999Е-002 5 0.1 4 Лак УР-231 3.9999Е-002 8 0.32 5 Канифоль 0.15 4 0.6 6 Припой ПОС-61 0.2 10 2 7 Провод монтажный 0.6 0.3 0.18 8 Провод медный 4.5 1 4.5

Затраты на основные материалы:                                                               11.10руб.

Возвратные отходы:                                                                                    0.00 руб.

Затраты на основные и вспомогательныематериалы

составляют ИТОГО:                                                                                     14.99руб.

/>/>/>/>10.3.2.  Расчет затрат напокупные комплектующие изделия и полуфабрикаты. Ктзр=0.35

Таблица 10.3 — Затраты напокупные комплектующие изделия и полуфабрикаты.

№ Наименование материала Количество Цена за ед., (руб.) Общая сумма затрат (руб.) 1 Излучатель 1 5200 5200 2 Резистор МЛТ 15 0.6 9 3 Транзистор КТ660Б 1 1.5 1.5 4 Фотодиод ФД 227 1 4 4 5 Конденсатор КМ-6 5 0.5 2.5 6 Конденсатор 73-11 5 0.5 2.5 7 Микросхема К140УД11 1 5 5 8 Микросхема К175ДА1 1 6 6 9 Вентиль 1 15600 15600 10 Циркулятор 1 20800 20800

Затраты на покупные комплектующиеизделия и полуфабрикаты

ИТОГО:                                                                                                          41631руб.

/>/>/>/>10.3.3.  Расчетзатрат на топливо.

Затраты на топливо будут включены вцеховые расходы.

/>/>/>/>10.3.4.  Расчет затрат наэлектроэнергию.

Затраты на электроэнергиюбудут включены в цеховые расходы.

/>/>/>/>10.3.5.  Расчет основнойзаработной платы на изготовление прибора.

Таблица 10.4 – Основнаязаработная плата на изготовление прибора.

№ Наименование операции Разряд работы Часовая тарифная ставка (руб./час) Норма времени (час.) Заработная плата (руб.) 1 Заготовительные 2 4 0.1 0.4 2 Разметка 4 4.2 0.2 0.84 3 Сверлильные 4 4 0.2 0.8 4 Слесарно-сборочные 5 4 0.1 0.4 5 Изготовление печатных плат 4 5 0.5 2.5 6 Монтаж навесных элементов 5 4 0.6 2.4

Основная заработная плата наизготовление прибора составляет:         7.34 руб.

/>/>/>/>10.3.6.  Расчет дополнительнойзаработной платы.

Дополнительная заработнаяплата принята в размере 15% от основной и составляет:                                                                              1.1руб.

/>/>/>/>10.3.7.  Начисления назаработную плату.

Начисления на заработнуюплату составляют:                             3.29 руб.

/>/>/>/>10.3.8.  Расчет расходов посодержанию и эксплуатации оборудования.

Расходы по содержанию иэксплуатации оборудования приняты в размере 12% и составляют:                                                                            12руб.

/>/>/>/>10.3.9.  Расчет цеховыхрасходов.

Цеховые расходыпринимаются равными 200% от основной заработной платы и составляют:                                                                            14.68руб.

Цеховая себестоимостьприбора составляет:                       14.68 руб.

/>/>/>/>10.3.10.      Расчет общезаводских расходов.

Общезаводские расходысоставляют:                                            40560 руб.

Заводская себестоимость:                                                      83262руб.

/>/>/>/>10.4.  Определениеоптовой цены прибора./>/>/>/>10.4.1.  Расчетвнепроизводственных расходов.

Внепроизводственныерасходы составляют:                        6.77 руб.

/>/>/>/>10.4.2.  Расчет полнойсебестоимости прибора.

Полная себестоимостьприбора составляет:                         83270 руб.

Расчет оптовой ценыприбора.

Оптовая цена приборасоставляет:                                       85283 руб.

Таблица 10.5.–Себестоимость и оптовая цена проектируемого прибора.

№ Наименование статей затрат Сумма (руб.) Процент от полной себестоимости 1 Основные и вспомогательные материалы 14.99 0.35 2 Покупные изделия и полуфабрикаты 41631 49.9 3 Топливо и энергия на технологические нужды Учтены на цеховых расходах 4 Основная заработная плата производственных рабочих 7,34 0.17 5 Дополнительная заработная плата производственных рабочих 1.1 0.02 6 Начисления на заработную плату 3.29 0.07 7 Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования 12 0.3 8 Общецеховые расходы 14.68 0.34 Заводская себестоимость 83262 98.89 Общезаводские расходы 40560 49.5 Внепроизводственные расходы 6.77 0.1 Полная себестоимость 83270 Оптовая цена 85283
/>/>/>/>11.  Охрана труда

В данном дипломном проекте требуется разработатьпередающее устройство одноволоконной ВОСП, рассчитанной на работу с длинойволны 1.55 мкм, котораяотносится к ближнему инфракрасному диапазону излучения.

Поскольку передающее устройство рассчитано наработу в составе многоканальных систем связи на соединительных линиях ГТС, то вглаве освещены вопросы организации охраны труда на предприятиях связинормирования рабочего дня, а так же методы обеспечения лазерной безопасности напредприятиях связи.

/>/>/>/>11.1.  Организация  труда на  предприятии  связи

 

На  предприятиях связи организует работу и контрольза выполнением мероприятий по охране труда, а также несет ответственность  за соблюдение  охраны   труда  и  техники  безопасности непосредственный руководитель  предприятия. Контроль  за соблюдением правил техники безопасностии выполнением соответствующих мероприятий осуществляет  главный  инженер  и инженер  по  технике  безопасности.

В  структурных  подразделениях  предприятия  (цехах,  участках,  лабораториях )  ответственность  несет  руководитель данного  структурного  подразделения. Государственными  органами  надзора  и контроля  являются: инспекция  энергонадзора,  пожарнадзора,  санэпидемстанция, технический  инспектор  обкома  профсоюза. На  предприятиях  связи  должны производиться  следующие  мероприятия  по  охране  труда:

1. Составление  ежегодных  планов  мероприятий  по охране труда.

2. Составление  санитарно — технических  паспортов на производственные  помещения.

3. Аттестация  рабочих  мест, переоборудованного или  вновь установленного  оборудования.

4. Расследование  и  учет  несчастных  случаев.

5. Проведение  периодических ( один  раз  в  два года ) медосмотров работников,  связанных  с  обслуживаниемэлектрооборудования.

6. Обучение  и проверка  по  технике  безопасности( ежегодно ).

7. Утверждение списка лиц, не связанных собслуживанием оборудования, т.е.  не  подлежащих  проверке  по  техникебезопасности, утверждение  профессий  и  должностей,  с которыми не проводится  первичный  инструктаж  на  рабочем месте.

8. Организация  проверок  электрозащитных средств,  защитного заземления,  сопротивления  изоляции  питающих  проводов,первичных  средств  пожаротушения  и  т.д.

9. Проведение  смотровых  конкурсов  по  охране труда.

10.Проведение  трехступенчатого  контроля.

Первая  ступень  проводится  ежедневно  мастером или  бригадиром. Проверяется  состояние  рабочих  мест, исправность оборудования  и защитных  средств. При  обнаружении  недостатков  немедленно принимаются  меры  по  их  устранению,  если  устранить  неисправность  своими силами  не  представляется  возможным,  то  выявленные  нарушения записываются  в  журнал  трехступенчатого  контроля.

Вторая  ступень  проводится  еженедельно.Начальник  цеха  проводит  детальную  проверку  состояния  охраны  труда  в цехе, принимает  решения  по  замечаниям,  сделанным  мастером,  контролирует выполнение  мероприятий  по  устранению  недостатков,  выявленных  при  предыдущих проверках. Результаты  проверки  начальник  цеха  записывает  в  журнал второй  ступени.

Третья  ступень  ежеквартальная.  Главный  инженер и  инженер по  технике  безопасности  проверяют  состояние  охраны  труда  в целом  по  предприятию,  контролируют  устранение  недостатков, выявленных  на первой  и  второй  ступенях  проверки. Результаты  оформляются,  составляется акт  и,  если  имеется  грубое  нарушение,  издается  приказ  по  предприятию.

11. Составление  отчета  по  производственному  травматизму.

12. Составление  актов  классификации  помещенийпо  степени электробезопасности ( проводится  приказом  по  предприятию ).

13. Финансирование  и  планирование  мероприятий по  охране труда  и  внедрение  стандартов  безопасности  труда.

Для  уменьшения  случаев  производственного травматизма  на  предприятиях  связи  проводятся  инструктажи. Существуют следующие  виды  инструктажей:

— вводный  инструктаж — проводится  при поступлении  на работу      инженером  по  технике безопасности  по  программе, утвержденной      руководителем предприятия. Оформляется  в контрольном листе,      который хранится  в  личном  деле работника.

— первичный  инструктаж  на  рабочем  месте — проводится также при поступлении  на  работу  и  оформляется  в контрольном листе.

Для  связанных  с  электрооборудованием в  течение 10 — 12  смен проводится  стажировка  на рабочем  месте.

— повторный  инструктаж  проводится  раз  в полгода  и  в строительных  организациях  раз  в  три  месяца;

— внеплановый инструктажпроводится в случае если изменилось оборудование, произошел несчастный случайили работник отсутствовал на  своем рабочем месте более трех месяцев;

— целевой  инструктаж  проводится  при  выполнении разовых работ, работ  с  повышенной  опасностью   или  особо      опасных.

Кроме того,  проводится  анализ  несчастных случаев,  произошедших  на  предприятии. Особое  внимание  администрация предприятия  должна  сосредоточить на тех участках предприятия, где произошло наибольшее число несчастных случаев. По результатам анализов несчастных  случаевнамечаются пути их предупреждения.

Основные пути предупреждения несчастных случаев:

— автоматизация  и  комплексная  механизация производственных процессов;

— рационализация  технологических  процессов,  модернизацияоборудования  и  инструментов;

— применение  дистанционного  управления;

— применение дополнительных  ограждающих  и  предохранительных устройств;

— внедрение  светозвуковой  сигнализации;

— применение  световых  приборов;

— применение  усовершенствованных  средств  защиты;

— устранение  или  уменьшение  воздействия  шума,вибраций, электромагнитного  излучения;

— улучшение  освещения  и  метеоусловий  на рабочих  местах;

-  разумное сочетание  режимов  труда  и  отдыха.

/>/>/>/>11.2.  Режим труда и отдыха

В процессе трудаработоспособность, т.е. спо­соб­ность че­ло­века к трудовой деятельности опреде­лен­ногорода, а соответ­ственно, и функ­циональное состоя­ние ор­га­низма подвергаютсяиз­менениям. Под­дер­жа­ние ра­ботоспо­соб­ности на опти­мальном уровне — основнаяцель ра­цио­нального режима труда и от­дыха.

Режим труда и отдыха — это устанавливаемые для каж­договида работ поря­док чередования периодов работы и от­дыха и ихпродолжительность. Рацио­нальный режим — такое соотношение и со­держа­ние перио­довработы и от­дыха, при кото­рых высокая произ­води­тель­ность труда со­четаетсяс вы­сокой и устойчи­вой рабо­то­способ­ностью че­ловека без приз­на­ковчрезмерного утомления в те­че­ние дли­тельного вре­мени. Такое чередованиепериодов труда и отды­ха соблю­дается в раз­личные отрезки времени: в те­че­ниерабо­чей смены, суток, недели, года в соот­ветствии с режимом ра­ботыпредприятия. Установление общественно необходимой продолжительности рабочеговремени и распределение его по календарным периодам на предприятии достигаютсяпри разработке правил, в которых предусматривается порядок  чередования ипродолжительность периода работы и отдыха. Этот порядок принято называтьрежимом труда  и отдыха.

Один из основных вопросовустановления рациональных режимов труда и отдыха — это выявление принципов ихразработки.  Таких принципов три:

— удовлетворениепотребности производства;

— обеспечение наибольшейработоспособности человека;

— сочетание общественныхи личных интересов.

Первый  принципзаключается в том, что при выборе  оптимального режима труда и отдыха требуетсяопределить такие параметры, которые способствуют лучшему использованиюпроизводственных фондов и обеспечивают наибольшую эффективность производства.Режимы труда и отдыха строятся применительно к наиболее рациональномупроизводственному режиму, с тем, чтобы обеспечить нормальное течениетехнологического процесса, выполнение заданных объемов производства,качественное и своевременное проведение планово-профилактического ремонта иосмотра оборудования при сокращении его простоев в рабочее время.

                 Второй принцип гласит, что нельзястроить режимы труда и отдыха без учета работоспособности человека иобъективной потребности организма в отдыхе в отдельные периоды его трудовойдеятельности.  В целях учета физиологических возможностей человека (в рамкахустановленных законом предписаний по охране труда и продолжительности рабочеговремени) следует  разрабатывать  такой порядок чередования времени труда иотдыха, определять такую их длительность, которые  обеспечивали бы наибольшуюработоспособность и производительность труда.

                 Третийпринцип предполагает, что режим труда и отдыха должен быть ориентирован на учети обеспечение в определенной степени удовлетворения личных интересов трудящихсяи отдельные категорий работников (женщин, молодежи, учащихся и т.д.).

Таким образом, при выбореоптимального режима труда и отдыха нужен комплексный социально-экономическийподход. Целью подобного подхода является полная и всесторонняя оценка егооптимизации с точки зрения  учета личных и общественных интересов, интересовпроизводства и физиологических возможностей человека. В связи с этим следуетотметить, что научно обоснованным режимом труда и отдыха на предприятияхявляется такой режим, который наилучшим образом  обеспечивает  одновременноесочетание повышения работоспособности и производительности труда, сохранениездоровья  трудящихся,  создания благоприятных условий для всестороннегоразвития человека.

Сегодня на предприятияхсвязи применяют четырехсменный режим труда, что в полной мере соответствуетвышеприведенным требованиям.

/>/>/>/>11.3.  Лазернаябезопасность/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>11.3.1.  Воздействие  лазерногоизлучения на органы зрения

Основной элемент зрительного аппарата человека — сетчатка глаза — может быть поражена лишь излучением видимого ( от 0.4 мкм ) иближнего ИК-диапазонов ( до 1.4 мкм ), что объясняется спектральнымихарактеристиками человеческого глаза. При этом хрусталик и глазное яблоко, действуякак дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышают концентрациюэнергии на сетчатке, что, в свою очередь, на несколько порядков понижаетмаксимально допустимый уровень ( МДУ ) облученности зрачка.

/>/>/>/>11.3.2.  Технико-гигиеническаяоценка лазерных изделий в России

В нашей стране на базе проведенных комплексныхисследований и современных представлений о влиянии лазерного излучения наорганизм человека разработан и утвержден ряд нормативных документов,обеспечивающих безопасную эксплуатацию лазерных изделий. Эти документыустанавливают единую систему обеспечения лазерной безопасности. В такую системувходят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов,организационные мероприятия, контроль условий труда  на лазерных установках. Всовременной отечественной научно-технической и нормативной литературе данонесколько вариантов классификации лазерных изделий. С позиции обеспечениялазерной безопасности их классифицируют по основным физико-техническимпараметрам и степени опасности генерируемого излучения.

В зависимости от конструкции лазера и конкретныхусловий его эксплуатации обслуживающий его персонал может быть подверженвоздействию опасных и вредных производственных факторов, перечень которыхприведен в ГОСТ 12.1.040-83. Уровни опасных и вредных производственных факторовна рабочем месте не должны превышать значений, установленных поэлектробезопасности, взрывоопасности, шуму, уровням ионизирующего излучения,концентрации токсических веществ и др.

/>/>/>/>/>/>/>11.3.3.  Классы опасностилазерного излучения по СНиП 5804-91

Степень воздействия лазерного излучения наоператора зависит от физико-технических характеристик лазера — плотностимощности (энергии излучения), длины волны, времени облучения, длительности ипериодичности импульсов, площади облучаемой поверхности. Биологический эффектлазерного облучения зависит как от вида воздействия излучения на тканиорганизма (тепловое, фотохимическое), так и от биологических ифизико-химических  особенностей самих тканей и органов.

Наиболее опасно лазерное излучение с длиной волны:

380¸1400нм — для сетчатки глаза,

180¸380нм и свыше 1400 нм — для передних сред глаза,

180¸105нм (т.е. во всем рассматриваемом диапазоне) — для кожи.

Гигиенистами выдвинуты требования, в соответствии скоторыми, в основу проектирования, разработки и эксплуатации лазерной техникидолжен быть положен принцип исключения воздействия на человека (кроме лечебныхцелей) лазерного излучения, как прямого, так и зеркально или диффузноотраженного.

В соответствии со СНиП 5804-91 лазерные изделия постепени опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса. При этомкласс опасности лазерного изделия определяется классом опасности используемогов нем лазера. Классификацию лазеров с точки зрения безопасности проводит предприятие-изготовительпутем сравнения выходных характеристик излучения с предельно допустимымиуровнями (ПДУ) при однократном воздействии. Определяя принадлежность лазерногоизделия к тому или иному классу по степени опасности лазерного излучения,необходимо учитывать воздействие прямого или отраженного лазерного пучка наглаза и кожу человека и пространственные характеристики лазерного излучения(при этом различают коллимированное излучение, то есть заключенное вограниченном телесном угле, и неколлимированное, то есть рассеянное илидиффузно отраженное). Использование дополнительных оптических систем не входитв понятие «коллимация», а оговаривается отдельно. Лазерные изделия сточки зрения техники безопасности классифицируют в основном по степениопасности генерируемого излучения. Установлены следующие 4 класса лазеров:

1 — к нему относят полностью безопасные лазеры, выходноеизлучение которых не представляет опасности для глаз и кожи человека;

2 — к нему относят лазеры, выходное излучение которыхпредставляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированнымпучком. В то же время диффузно отраженное излучение лазеров этого классабезопасно как для кожи, так и для глаз;

3 — к нему относят лазерные устройства, работающие ввидимой области спектра и выходное излучение которых представляет опасность приоблучении как глаз (коллимированным и диффузно отраженным излучением на расстояниименее 10 см от отражающей поверхности), так и кожи (только коллимированнымпучком);

4 — наиболее опасный — к нему относятлазерные устройства, даже диффузно отраженное излучение которых представляетопасность для глаз и кожи на расстоянии менее 10 см.

При определении класса опасности лазерногоизлучения учитываются три спектральных диапазона.

Таблица 11.1 – Диапазонылазерного излучения

Класс Опасности 180<l£380 нм 380<l£1400 нм

1400<l£105  нм

Лазерного Диапазон Излучения I II III 1 + + + 2 + + + 3 — + — 4 + + + />/>/>/>11.3.4.  Гигиеническоенормирование лазерного излучения

В соответствии со СНиП 5804-91 регламентируют ПДУдля каждого режима работы лазера и его спектрального диапазона. Нормируемымипараметрами с точки зрения опасности лазерного излучения являются энергия W имощность P излучения, прошедшего ограничивающую апертуру диаметрами dа=1.1мм (в спектральных диапазонах I и II) и dа=7 мм (в диапазоне II);энергетическая экспозиция H и облученность E, усредненные по ограничивающейапертуре:

  H=W/Sa;     E=P/Sa  ,                                  (3.1)

где Sa — площадь ограничивающейапертуры.

Таблица 11.2 — Предельные дозы при однократномвоздействии на глаза коллимированного лазерного излучения

Длина волны l, нм Длительность воздействия t, с

WПДУ, Дж

380<l£600

t£2.3×10-11

/>

2.3×10-11<t£5×10-5

8×10-8

5×10-5<t£1

/>

600<l£750

t£6.5×10-11

/>

6.5×10-11<t£5×10-5

1.6×10-7

5×10-5<t£1

/>

750<l£1000

t£2.5×10-10

/>

2.5×10-10<t£5×10-5

4×10-7

5×10-5<t£1

/>

1000<l£1400

t£10-9

/>

10-9<t£5×10-5

10-6

5×10-5<t£1

/>

Примечания: 1. Длительностьвоздействия меньше 1 с.

2. Ограничивающая апертура = 7×10-3 м.

ПДУ лазерного излучения устанавливают для двухусловий — однократного и хронического облучения. Под хроническим понимают«систематически повторяющееся воздействие, которому подвергаются люди,профессионально связанные с лазерным излучением».

 ПДУ при этом определяют как:

1)   уровнилазерного излучения, при которых «существует незначительная вероятностьвозникновения обратимых отклонений в организме»человека;

2)   уровниизлучения, которые «при работе установленной продолжительности в течениевсего трудового стажа не приводят к травме (повреждению), заболеванию илиотклонению в состоянии здоровья как самого работающего, так и последующих егопоколений».

ПДУ хронического воздействия рассчитывают путемуменьшения в 5¸10 раз ПДУоднократного воздействия.

/>/>/>/>11.4.  Требованиябезопасности при эксплуатации лазерных изделий/>/>/>/>11.4.1.  Требования кразмещению лазерных изделий

Размещение лазерных изделий в каждом конкретномслучае производится с учётом класса опасности изделий, условий и режима трудаперсонала, особенностей технологического процесса, подводка коммуникаций.

Требования для класса 3Б:

Расстояние между лазерными изделиями  должнообеспечивать безопасные условия труда и удобство эксплуатации, ремонта иобслуживания. Рекомендуется для класса 3Б:

— Со стороны органов управления: при однорядном расположении–1,5м;

— при двухрядном  не менее — 2,0 м.

— С других сторон не менее – 1,0 м.

— Траектория прохождения лазерногопучка должна быть заключена в оболочку из несгораемого материала или иметьограждение, снижающие  уровень лазерного излучения  до ДПИ и исключающиепопадание лазерного пучка на зеркальную поверхность. Открытые  траектории взоне возможного нахождения человека  должны располагаться значительно вышеуровня глаз. Минимальная высота траектории 2,2 м.

— Рабочее место должно бытьорганизовано таким образом, чтобы исключать возможность воздействия на персоналлазерного излучения или чтобы его величина не превышала ДПИ для первого класса.

— Рабочее место обслуживающегоперсонала, взаимное расположение всех элементов (органов управления, средствотображения информации и другое.)должна обеспечивать рациональность рабочихдвижений и максимально учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизическиевозможности человека.

— Следует предусматривать наличие местдля размещения съемных деталей, переносной измерительной аппаратуры, хранениязаготовок, готовых изделий.

/>/>/>/>11.4.2.  Классификация условийи характера труда

По степени зашиты персонала от воздействиялазерного излучения условия и характер труда при эксплуатации лазерных изделийнезависимо от класса изделия подразделяются:

А) оптимальные – исключающиевоздействие на персонал лазерного излучения;

Б) допустимые – уровень лазерногоизлучения, воздействующего на  персонал, меньше ПДУ установленного СанПиН 5804;

В) вредные и опасные – уровеньлазерного излучения, воздействующего на персонал, превышает ПДУ.

/>/>/>/>11.4.3.  Требованиябезопасности при эксплуатации и обслуживании лазерных изделий

Выполнение следующих требований безопасности должнообеспечивать исключение или максимальное уменьшение возможности облученияперсонала лазерным излучением, а также воздействия на него других опасныхфакторов:

— К ремонту, наладке и испытаниямлазерных изделий допускаются     лица, имеющие соответствующую квалификацию ипрошедшие   инструктаж по технике безопасности в установленном порядке.

— К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие восемнадцати лет, не имеющие медицинскихпротивопоказаний, прошедшие курс специального обучения в соответствии с ГОСТ12.0.004, обучение в установленном порядке работе с конкретными лазернымиизделиями и аттестацию на группу по охране труда при работе наэлектроустановках с соответствующим напряжением.

— При эксплуатации изделий выше класса2 должно назначаться лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.

-  Лазерныеизделия, находящиеся в эксплуатации, должны  подвергаться регулярной профилактической проверке. При  проведении профилактической проверки следуетобращать  особое внимание на безотказность работы всех защитных  устройств,надёжность заземления.

/>/>/>/>11.5.  Выводы по главе

В главе рассмотрены следующие вопросы:

-    организация охраны труда на предприятиях связи и мероприятия по охранетруда;

-    организация рабочего дня;

-    вопросы нормирования лазерного излучения и меры защиты от вредноговоздействия лазерного излучения на человека.

Лазеры, применяемые в современных системах связи,относятся к классу  опасности 3Б. Полупроводниковый лазер, используемый впроектируемом передающем устройстве, рассчитан на работу во второмспектральном  диапазоне  (380<l£1400)и  имеет  выходную  оптическую мощность не более 3.5 мвт, что соответствуетгигиеническим нормам для данного класса.

/>/>/>/>12.  Заключение

В дипломном проекте дан обзор существующих методоворганизации волоконно-оптических систем передачи, а также освещены возможныеспособы построения одноволоконных ВОСП. Приведена сравнительная характеристикапринципов построения одноволоконных ВОСП, оптических систем спектральногомультиплексирования/демультиплексирования с применением оптическихциркуляторов, в результате чего сделан вывод, что наиболее приемлемым вариантоморганизации одноволоконной ВОСП на ГТС является ВОСП с модуляцией оптическогосигнала по интенсивности и применением оптических циркуляторов.

В ходе работы осуществлена разработка структурнойсхемы передающего устройства, кроме того, приведены варианты структурных схемвозможных способов построения одноволоконных ВОСП.

Разработана принципиальная схема оптическогопередающего устройства и рассчитаны её основные узлы. В качестве оптическогоизлучателя выбран лазерный излучатель ИДЛ 5С-1300. В схеме примененыполупроводниковые интегральные схемы отечественного производства, что отвечаетсовременным требованиям проектирования аппаратуры связи.

Даны примерная организация и этапы проектирования ВОЛП,электроизмерительная аппаратура, применяемая при строительстве ВОЛП. Приведенытребования по охране труда на предприятиях, занимающихся изготовлениемустройств с лазерными излучателями.

          Сделанотехнико-экономическое обоснование разработки с расчетом основных показателей

/>Разработанное передающееустройство рассчитано на работу в составе цифровых многоканальных системпередачи, работающих  со скоростью 8 Мбит/с и предназначенных для работы насоединительных линиях ГТС.

13.  Библиография

1.  Полупроводниковые приборы.Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. Миркин А.А. -М.: Коллективавторов, 1995. – 640с.

2.  Мурадян А.Г. Усилительныеустройства. –М.: Связь, 1976.    -280с.

3.  Брискер А.С., Гусев Ю.М., ИльинВ.В. и другие. Спектральное уплотнение волоконно-оптических линийГТС//Электросвязь, 1990, №1, с41-42.

4.  Брискер А.С., Быстров В.В., ИльинВ.В… Способы увеличения пропускной способности волоконно-оптических линийГТС//Электросвязь, 1991, №4, с28-29.

5.  Рудов Ю.К., Зингеренко Ю.А.,Оробинский С.П., Миронов С.А… Применение оптических циркуляторов вволоконно-оптических системах передачи//Электросвязь, 1999, №6, с36-37.

6.  Черемискин И.В., Чехлова Т.К…Волноводные оптические системы спектрального мультиплексирования /демультиплексирования //Электросвязь, 2000, №2, с23-29.

7.  М.М. Бутусов, С.М. Верник, С.Л.Балкин и другие. Волоконно-оптические системы передачи. -М.: Радио и связь,1992 –416с.

8.  Заславский К.Е… Учебное пособие.Волоконно-оптические системы передачи. Часть 3.-Н.: СибГАТИ, 1997 –61с.

9.  Лазерная безопасность.Общиетребования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий.-М.: Издательство стандартов, 1995 –20с.

10.          Гроднев И. И.,Волоконно-оптические линии связи. –М.: Радио и связь, 1990.

11.       Оптические системы передачи: Учебник для ВУЗов. Под ред.      В.И.Иванова. –М.: Радио и связь, 1994.

12.       Строительство и техническаяэксплуатация волоконно-оптических линий связи. Под ред. Б.В. Попова. –М.: Радиои связь, 1995.

13.        Д. Гауэр. Оптические системысвязи. –М.: Радио и связь, 1989.

14.  Оглавление

1.      Обзор существующих методов передачи наволоконно-оптических системах передачи городских телефонных сетей… 3

1.1.       Принципы построения и основные особенности ВОСП наГТС… 3

1.1.1.        Линейные коды ВОСП на ГТС… 7

1.1.2.        Источники излучения  ВОСП… 9

1.1.3.        Детекторы  ВОСП… 11

1.1.4.        Оптические кабели  ВОСП… 12

2.      Одноволоконные оптические системы передачи… 16

2.1.       Волноводные оптические системы спектральногомультиплексирования/демультиплексирования              18

2.1.1.        Принципиальные схемы и основные характеристикиВСМ/Д… 20

2.1.2.        Реализация ВСМ/Д… 25

2.1.3.        Интеграция оптических устройств… 33

2.1.4.        Оптические мультиплексоры с добавлением и отводомканалов… 39

2.2.       Выводы… 43

3.      Применение оптических циркуляторов вволоконно-оптических системах передачи       43

3.1.       Структура и принцип работы оптического циркулятора… 45

3.1.1.        Характеристики оптических циркуляторов… 47

3.1.2.        Возможные варианты применения оптическихциркуляторов в оборудовании волоконно-оптических линий связи.                  48

3.2.       Выводы… 50

4.      Построение передающих и приемных устройств  ВОСП ГТС… 51

4.1.1.        Виды модуляции оптических колебаний… 51

4.1.2.        Оптический передатчик… 54

4.1.3.        Оптический приемник… 55

4.2.       Выводы… 56

5.      Выбор и обоснование структурной схемы передатчика… 58

5.1.       Возможные методы построения структурных схемодноволоконных ВОСП… 58

5.1.1.        ВОСП, на основе различных способов разветвленияоптических сигналов… 58

5.1.2.        ВОСП, основанная на использовании разделенияразнонаправленных сигналов по времени… 61

5.1.3.        ВОСП на основе использования различных видовмодуляции… 63

5.1.4.        ВОСП с одним источником излучения… 66

5.2.       Окончательный выбор структурной схемы передатчика… 68

5.2.1.        Выбор способа организации одноволоконогооптического тракта… 68

5.2.2.        Структурная схема оптического передатчика… 69

5.3.       Выводы… 70

6.      Составление и расчёт принципиальной схемы… 71

6.1.       Общие соображения по расчёту принципиальной схемыустройства… 71

6.2.       Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типаизлучателя… 73

6.3.       Выбор транзистора и расчёт сопротивлений в схемепрямого модулятора… 74

6.4.       Расчет согласующего усилителя… 78

6.5.       Расчет устройства автоматической регулировки уровняоптического сигнала… 81

6.6.       Расчёт ёмкостей в схеме оптического передающегоустройства… 83

6.6.1.        Расчёт эмиттерной ёмкости… 83

6.6.2.        Расчёт разделительной ёмкости… 84

6.6.3.        Расчёт ёмкостей фильтров… 84

6.7.       Выводы… 85

7.      Организация и этапы проектирования ВОЛП… 86

8.      Перспективы развития волоконно-оптической связи… 92

9.      Контрольно-измерительная аппаратура, применяемая пристроительстве ВОСП        94

9.1.       Электрические проверки основных стоек и блоковаппаратуры ВОСП… 97

9.2.       Проверка оборудования в режиме «На магистраль»… 99

10.        Технико-экономическое обоснованиеволоконно-оптической линии связи городской телефонной станции… 101

10.1.    Спектральное уплотнение каналов… 108

10.2.    Технико-экономические показатели разработки. Расчетсебестоимости проектируемого устройства. Определение оптовой цены… 110

10.3.    Расчет себестоимости изготовления устройства… 111

10.3.1.     Расчет затрат на основные и вспомогательныематериалы.  Ктзр=0.35… 111

10.3.2.     Расчет затрат на покупные комплектующие изделия иполуфабрикаты. Ктзр=0.35… 111

10.3.3.     Расчет затрат на топливо… 112

10.3.4.     Расчет затрат на электроэнергию… 112

10.3.5.     Расчет основной заработной платы на изготовлениеприбора… 112

10.3.6.     Расчет дополнительной заработной платы… 112

10.3.7.     Начисления на заработную плату… 112

10.3.8.     Расчет расходов по содержанию и эксплуатацииоборудования… 112

10.3.9.     Расчет цеховых расходов… 113

10.3.10.   Расчет общезаводских расходов… 113

10.4.    Определение оптовой цены прибора… 113

10.4.1.     Расчет внепроизводственных расходов… 113

10.4.2.     Расчет полной себестоимости прибора… 113

11.        Охрана труда… 115

11.1.    Организация  труда  на  предприятии  связи… 115

11.2.    Режим труда и отдыха… 118

11.3.    Лазерная безопасность… 120

11.3.1.     Воздействие  лазерного излучения на органы зрения… 120

11.3.2.     Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий вРоссии… 121

11.3.3.     Классы опасности лазерного излучения по СНиП5804-91… 122

11.3.4.     Гигиеническое нормирование лазерного излучения… 124

11.4.    Требования безопасности при эксплуатации лазерныхизделий… 125

11.4.1.     Требования к размещению лазерных изделий… 125

11.4.2.     Классификация условий и характера труда… 126

11.4.3.     Требования безопасности при эксплуатации иобслуживании лазерных изделий… 127

11.5.    Выводы по главе… 128

12.        Заключение… 129

13.        Библиография… 130

14.        Оглавление… 131