Структура оптической линии связи и ее характеристики

Обобщенная структурная схема оптической линии связи идентична схемам связи других типов (рис. 3.1). Отличие состоит в том, что несущая частота составляет 10¹⁴…10¹⁵ Гц, т. е. на несколько порядков выше, чем в системах радиосвязи.

Оптическая линия связи включает в себя следующие основные компоненты [1]:

– источник оптического излучения;

– средства модуляции оптического излучения электрическим сигналом;

– среду, в которой распространяется оптическое излучение;

– фотоприемник, преобразующий принятый оптический сигнал в электрический;

– электронные устройства усиления и обработки электрического сигнала.

Оптическая связь базируется на применении квантовых приборов – лазеров. В настоящее время существуют различные типы лазеров: полупроводниковые, твердотельные, газовые. В беспроводных оптических линиях связи применяются полупроводниковые лазеры и инфракрасные диоды, которые сочетают важные свойства, такие как непосредственное преобразование энергии электрического тока в световое излучение, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малая масса и габаритные размеры.

Полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод р–n -типа, выполненный из активного материала, способного излучать световые кванты – фотоны (рис. 3.2). В качестве такого материала чаще всего используется арсенид галлия (GaAs) с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка).

Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению оптического луча с остронаправленной диаграммой излучения. К лазеру подведены металлические электроды для подачи электрического напряжения. Роль отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника.

Существенно снижаются требования к характеристикам источников света, предназначенных для использования в системах передачи данных на небольшие расстояния. Это обусловливает применение в качестве источников оптического излучения светодиодов.

Светодиод представляет собой такой же люминесцентный полупроводник р–п- типа из арсенида галлия, но не имеет резонансного усиления. В отличие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным лучом, за счет стимулированного резонансного излучения (рис. 3.3, график 1) в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч имеет меньшую мощность и широкую направленность излучения (рис. 3.3, график 2).

Светодиоды уступают по параметрам излучения полупроводниковым лазерам, но существенно меньше стоят.

Функция фотодетектора в волоконно-оптических системах связи состоит в преобразовании оптического сигнала в электрический. Фотодетекторы должны иметь высокую чувствительность в рабочем диапазоне частот, минимальные шумы, высокое быстродействие, линейность отклика и высокую надежность. Принцип работы фотодиода основан на фотоэлектрическом эффекте. Падение лучей света на обратносмещенный p–n -переход (рис. 3.4) вызывает образование пар противоположных зарядов. Движение зарядов приводит к протеканию электрического тока.

С учетом сказанного процесс передачи данных с использованием беспроводного оптического канала можно кратко описать следующим образом. Через устройство сопряжения сигнал данных доставляется к светодиоду, работающему в инфракрасном диапазоне спектра. Сигнал передается узконаправленным световым лучом в принимающий фотодиод на другом конце сети. Полученный световой сигнал демодулируется и преобразуется в коммуникационный протокол.

Для организации дуплексных конфигураций необходим комплект оборудования, состоящий из 2 приемников и 2 передатчиков.

Структурная схема организации дуплексной беспроводной оптической линии связи приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5

В лабораторной установке используется комплект беспроводных приемопередатчиков со стандартными цифровыми интерфейсами E1 (скорость передачи 2048 Кбит/c, линейный код AMI или HDB3). Такие каналы используются в цифровых системах передачи (например, в ИКМ-30, наиболее распространенной в российских телефонных сетях).