Описание

Приемные и передающие модули для применения в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Принципы и особенности функционирования.

Волоконно-оптические технологии, изначально разрабатываемые для решения задач связи на большие расстояния и с высокой информационной пропускной способностью, в настоящее время все чаще используются в различных направлениях науки и техники. Это обусловлено такими свойствами оптического волокна как невосприимчивостью к электромагнитным воздействиям, диэлектрическими характеристиками, широким температурным диапазоном эксплуатации, отсутствием открытого доступа к передаваемой информации и другие. Так ВОЛС применяются при построении информационных сетей различного назначения, в технологических процессах с использованием энергий высокого уровня и активных химических реагентов, для мониторинга различных процессов, при построении скрытных систем безопасности и прочих. В состав ВОЛС, кроме пассивной части состоящей из самого волокна и сопутствующих аксессуаров (оптические разъемы, разветвители, мультиплексоры) входят и активные компоненты в виде приемных и передающих устройств осуществляющих ввод оптического излучения его регистрацию и дальнейшую обработку сигналов. Так как характер сигналов и их назначение часто сильно отличаются то приходится использовать активные компоненты с разными способами обработки этих сигналов. Нами разработаны четыре группы приемных и три группы передающих волоконно-оптических модулей, отличающихся друг от друга принципами функционирования, назначением и скоростными характеристиками.

Приемные оптоэлектронные модули:


  1. С регулируемым или установленным порогом срабатывания. Функциональная упрощенная схема приемников данного типа представлена на рис. 1.

    2. Рис. 1. Фотоприемник с регулируемым порогом срабатывания.

    Оптический сигнал с ВОЛС через оптический разъем поступает на pin-фотодиод приемника где преобразуется в ток I=λPопт., где λ- чувствительность фотодиода в А/Вт, а Pопт. - входная оптическая мощность попадающая на площадку фотодиода в Вт. Этот ток создает на входном резисторе R напряжение соответствующего уровня которое поступает на один из входов компаратора. На другом входе компаратора устанавливается некоторое пороговое значение напряжения. В зависимости от типа приемника оно может быть фиксированным или регулируемым. При совпадении напряжений на входах компаратора его выход переходит в то или иное определенное состояние. Данный тип приемного устройства может использоваться также и для обработки информационных сигналов определенного формата. К приемным модулям данного типа относятся: OMRD-02, OMRS-02 (с установленными порогами срабатывания), OMRD-03 (с регулируемым порогом срабатывания) в различных вариантах исполнения. Область применения: дистанционные переключатели, пожарные оповещатели, цифровые датчики физических величин.

  2. С фиксированным порогом срабатывания. Функциональная упрощенная схема приемника этого типа представлена на рис. 2.

    3. Рис. 2. Фотоприемник с фиксированным порогом срабатывания.

    Данный тип приемника имеет более сложную структуру нежели предыдущий и содержит в своем составе pin-фотодиод, предусилитель и высокочувствительный триггер Шмидта(защелка), выполненный на быстродействующем компараторе. Сигнал с предусилителя поступает на не инвертирующий вход компаратора через резистор Ro. Сюда же через резистор Rос поступает сигнал положительной связи с выхода компаратора. Соотношение этих резисторов определяет величину порога срабатывания фотоприемника в целом. Цепь Rф, Cф обеспечивает определенную задержку входного сигнала поступающего на инвертирующий вход компаратора. Эта задержка необходима для устойчивой работы цепи обратной связи. Величина ее определяется произведением Rф, Cф и зависит от значения фронта/спада входного сигнала и времени распространения сигнала в компараторе с входа на выход. Приемные модули данного типа – OMRD-04, OMRD-06, OMRD-08 в различных конструктивных исполнениях и с соответствующими спецификациями по спектральному и частотному диапазону. Область применения: цифровые внутриобъектовые линии передачи информации, системы мониторинга с использованием оптических волокон, волоконно-оптические мультиплексоры, охранные системы.

  3. С автоматической регулировкой порога срабатывания. Функциональная схема приемника этого типа представлена на рис. 3.

    4. Рис. 3. Фотоприемник с автоматической регулировкой порога.

    Данный тип приемника предназначен для обработки одиночных, пакетных и других существенно неуравновешенных цифровых информационных сигналов в ВОЛС, эксплуатация которых сопряжена с высоким уровнем электромагнитных помех. Здесь также реализован контроль наличия входного сигнала, что позволяет отслеживать целостность оптической линии связи. Для выполнения указанных функций в приемнике используется принцип обработки “инверсных” информационных потоков. То есть оптические сигналы в линии являются инверсными по отношению к сигналам на входе передающего модуля. Возможность такой инверсии предусмотрена в большинстве производимых нами оптических передатчиков. Оптический сигнал с pin-фотодиода через предусилитель поступает на один из входов компаратора и детектор уровня. Значение напряжения на выходе детектора равно значению амплитуды сигнала на выходе предусилителя. Выпрямленное напряжение с детектора делится пополам и подается на второй вход компаратора. Такое решение приемного модуля позволяет получить минимальное уширение обрабатываемых импульсов во всем динамическом диапазоне входных оптических сигналов, используя минимальную полосу пропускания аналоговой приемной части состоящей из pin-фотодиода и предусилителя. Приемные модули входящие в эту группу – OMRD-01, OMRD-05, OMRD-07, OMRD-10 отличающиеся друг от друга конструкцией, функциональными возможностями, быстродействием и условиями эксплуатации. Область применения: системы технологического контроля в процессах с сложными условиями производства, управление и контроль за исполнительными устройствами энергонасыщенных объектов (подстанции, электромагнитные ускорители, подводные объекты).

  4. С емкостной внутренней связью. Функциональная схема данного типа приемников приведена на рис.4.

    5. Рис.4.Функциональная схема приемника для ВОЛС с емкостными внутренними связями.

    В своем составе приемник содержит pin-фотодиод, предусилитель с АРУ, усилитель-ограничитель и выходное буферное устройство. Так как связь между отдельными составными частями является емкостной, приемники данного типа обрабатывают цифровые последовательности уравновешенного формата (т.е. без постоянной составляющей). Последовательности такого типа, как правило, составляют содержание подавляющего числа связных протоколов работающих со скоростями выше 100МБ/с (155МБ/с, 622МБ/с, 1.25ГБ/с, 2.4ГБ/с). Выходной буфер формирует уровни сигнала требуемого качества (PECL, CML, LVDC и др.). Группу приемных модулей для обработки сигналов в магистральных линиях связи представляют – OMRD-155, OMRD-622, OMRD-1250, OMRD-2500 с соответствующими спецификациями. Применяются в магистральных линиях передачи информации в качестве оконечных устройств.

Передающие оптоэлектронные модули:


  1. Передающие модули для формирования оптических сигналов в ВОЛС построенных с использованием многомодовых волокон (MMF) без ограничения формата. Функциональная схема передающего модуля данного типа показана на рис.5.

    2. В состав его входит ЛД без ФД с длиной волны λ=0.85мкм. и низким значением порогового тока. Стабилизация оптической мощности в рабочем диапазоне температур осуществляется путем формирования тока модулятора с определенной температурной зависимостью. К передающим модулям такого типа относятся следующие типы изделий: OMTD-02, OMTD-03(переключением полярности).

    Рис.5.Функциональная схема передающего оптического модуля для ВОЛС использующих многомодовые волоконные кабели (MMF).

  2. Передающий волоконно-оптический модуль для формирования цифровых оптических сигналов без ограничения формата(статусные, одиночные, пакетные).

    3. В состав модуля входит лазерный диод (ЛД) совмещенный с фотодиодом обратной связи(ФДОС), модулятор, схема стабилизации выходной оптической мощности и схема компенсации, позволяющая формировать оптические сигналы без ограничения формата. Режим работы ЛД и принцип стабилизации оптической мощности с помощью ФДОС показан на рис.6. Функциональная схема передающих модулей данного типа представлена на рис.7. К изделиям этой группы относятся: OMTD-01, OMTD-04, OMTD-05, OMTD-06, OMTD-10 с соответствующими спецификациями.

    Рис.6.Положене рабочей точки ЛД на ватт-амперной характеристике и упрощенная схема модуляции и стабилизации оптической мощности в передающих модулях, транслирующих сигналы неуравновешенного формата.

    Рис.7.Функциональная схема передающего оптического модуля без ограничения формата входных сигналов.

  3. Передающий модуль для формирования оптических цифровых сигналов имеющих уравновешенный формат.
    В состав модуля входит ЛД с соответствующими характеристиками оптического излучения и ФДОС, схема стабилизации оптической мощности, модулятор и устройство входа. Режим работы ЛД и принцип стабилизации оптической мощности с помощью ФДОС показан на рис.8. Функциональная схема передающих модулей данного типа представлена на рис.9.

    Рис.8. Положение рабочей точки на ватт-амперной характеристике ЛД и упрощенная схема модуляции и стабилизации оптической мощности в передающих модулях, транслирующих сигналы уравновешенного формата.

    Рис.9.Функциональная схема передающего оптического модуля для формирования цифровых сигналов уравновешенного формата.

    Некоторые модели передающих модулей данного типа могут быть дополнены системами мониторинга за состоянием ЛД, его режимом и некоторыми другими сервисными функциями. К изделиям данного типа относятся: OMTD-155, OMTD-622, OMTD-1250, OMTD-2500 с соответствующими спецификациями.