Проектирование систем с заданными характеристиками (глава дипломной работы), страница 9

                                                                                          (5.3.8)

где в правой части – времена установления, соответственно, передатчика – T_tr, приемника T_rec и волокна T_fiber. Времена установления приемника и передатчика обычно известны конструктору системы. Время установления передатчика t_tr определяется в первую очередь электронными компонентами управляющей схемы и электрическими паразитными элементами оптического источника. Типичные значения составляют несколько наносекунд (ns) для передатчиков с LED и может быть таким малым, как 0,1 наносекунд (0,1 ns) – для передатчиков с лазером. Время установления приемника T_rec определяется, главным образом, электрической шириной полосы входа приемника на уровне 3 дБ. Уравнение (5.3.6) можно использовать для оценки T_rec, если известна ширина полосы входной цепи.

          Время установления волокна должно учитывать как вклад модовой дисперсии, так и дисперсию групповой скорости (GVD) через соотношение:

                                                                                          (5.3.9)

Для одномодовых волокон T_mod = 0 и T_fiber = T_GVD.

          В принципе, можно использовать понятие ширины полосы волокна, рассмотренное в разделе 2.4.4 и связать T_fiber с шириной полосы на уровне 3 дБ (f_3дБ) через соотношение, аналогичное (5.3.6). Практически трудно подсчитать f_3дБ, особенно для случая модовой дисперсии. Причина в том, что волоконная линия состоит из многих состыкованных волоконных секций (обычно длиной 5 км), которые могут иметь различные характеристики дисперсии. Более того, смешивание мод, возникающие в сварках и контактных соединениях, усредняет задержки распространения различных мод многомодового волокна. Статистический подход часто необходим для оценки ширины полосы волокна и соответствующего времени установления [46] – [49].

          При использовании подхода с точки зрения физики явлений, T_modal можно аппроксимировать временем задержки DТ, определяемой уравнением (2.1.5) и при отсутствии смешивания мод

                                                                                               (5.3.10)

где принято, что n₁ » n₂. Для волокон с градиентным индексом использовано уравнение (2.1.10) вместо (2.1.5), в результате . В обоих случаях влияние смешивания мод учитывается изменением L на L², где q лежит в пределах 0,5 – 1 в зависимости от степени смешивания. Разумная величина, основанная на эксперименте, q = 0,7. Вклад дисперсии групповой скорости Т_GVD можно приближенно принять равным задержке DТ, определяемой уравнением (2.3.4), так что

                                                                                                 (5.3.11)

где Dl - спектральная полоса источника на уровне половины ширины максимального значения (FWHM). Параметр дисперсии  может изменяться вдоль волокна линии, так как различные секции имеют разные значения этого параметра, в уравнении (5.3.11) необходимо использовать среднее значение.

          Для иллюстрации расчета бюджета времени установления рассмотрим световую систему на волне 1,3 мкм, сконструированную для работы на скорости 1 Гб/с по одномодовому волокну при расстоянии между повторителями 50 км. Времена установления передатчика и приемника определены как T_tr = 0,25 нс и T_rec = 0,35 нс. Спектральная ширина полосы источника Dl = 3 нм, в то время, как средняя величина D = 2 пс/(км-нм) на рабочей волне. Из уравнения (5.3.11) T_GVD = 0,3 нс для линии длиной 50 км. Модовая дисперсия в одномодовом кабеле отсутствует. Следовательно, T_modal = 0 и T_fiber = 0,3 нс. Время установления системы оценивается уравнением (5.3.8), что дает T_r = 0,524 нс. Использование уравнения (5.3.7) показывает, что такая система не может работать при формате модуляции RZ на скорости 1 Гб/с. Однако, система будет работать соответствующим образом, если цифровой формат изменен на NRZ. Если формат RZ является необходимым, конструктор должен выбрать другие передатчик и приемник, чтобы выполнить бюджет времени установления. Обычно используется формат NRZ, так как это позволяет использовать систему с большим временем установления при одинаковой скорости в битах.

5.4. Причины, вызывающие увеличение необходимой мощности

(наказание по мощности).

          В разделах 5.2 и 5.3 показано, что как потери в волокне, так и дисперсия волокна влияют на конструкцию и параметры световых систем. При низких скоростях (B < 100 Мб/с) большинство световых систем ограничено скорее потерями в волокне (затуханием), чем дисперсией волокна, пока компоненты системы удовлетворяют бюджету времени установления. Однако, на высоких скоростях (В > 500 Мб/с) доминирующую роль играет дисперсия. В частности, чувствительность приемника оказывается подверженной нескольким физическим явлениям, которые вместе с дисперсией ухудш8ают соотношение сигнала к шуму (SNR) в схеме, принимающей решения. Среди явлений, которые уменьшают чувствительность приемника: шум моды, дисперсионное расширение, межсимвольная интерференция, шум разделения мод, частотный чирп, обратная связь из-за отражения. В этом разделе рассматривается, как влияет на характеристики (параметры) системы волоконная дисперсия с учетом степени влияния на необходимое увеличение мощности (наказание по мощности) всех упомянутых явлений.

5.4.1 Шум мод.

          Шум мод связан с многомодовыми волокнами и тщательно изучен [50] – [64]. Причину его появления можно пояснить следующим образом. Взаимодействие различных мод, распространяющихся в таких волокнах, создает на фотодиоде структуру пятен. Связанное с этим неоднородное распределение интенсивности является безвредным само по себе, так как параметры приемника зависят от суммарной мощности, интегрируемой по площади фотодетектора. Однако, если структура пятен будет изменяться со временем, это приведет к флюктуациям принимаемой мощности, что вызовет уменьшение SNR. Такие флюктуации называют шумом мод. Они неизбежно возникают в многомодовых волоконных линиях из-за механических повреждений, таких как вибрации и микроизгибы. Кроме того, сварные и контактные соединения действуют, как пространственные фильтры. Любое временное изменение в пространственной фильтрации проявляется в изменении пятнистой структуры и увеличивает модовый шум. На модовый шум сильно влияет ширина полосы спектра Dn, так как модовая интерференция имеет место только в том случае, если время когерентности  больше межмодовой задержки DТ, определяемой уравнением (2.1.5). Для передатчика со светодиодом (LED) Dn достаточно велика (Dn ~ 5 ТГц), так что упомянутое соотношение не выполняется. Большая часть световых систем с многомодовым волокном использует LED, чтобы исключить влияние модового шума.