Источники света в оптоволоконной связи

Два основных компонента‑источника света для оптоволоконного кабеля:

– Светодиоды (LED)

– Лазерные диоды (LD).

Рис. 10.40. Лазерный диод

Оба источника дают частоты в инфракрасном диапазоне, то есть выше 700 нм.

Генерация света как в светодиодах, так и в лазерных диодах происходит в процессе рекомбинации электронов и дырок в P‑N переходе при подведении прямого (однонаправленного) тока. Такой свет называется электролюминесцентным.

После рекомбинации пары электрон/дырка имеют меньшую энергию, чем каждая составляющая до рекомбинации. При рекомбинации пары электрон/дырка теряют энергию, равную разности энергетических уровней, которая излучается в виде фотонов (минимальная единица переноса света).

Длина волны, ассоциированная с фотоном, определяется уравнением:

A = hc/E(64)

где:

h – постоянная Планка, фундаментальная физическая постоянная, равная 6.63·10³⁴ джоулей,

с – скорость света (300·10⁶ м/с),

Е – ширина энергетической зоны P‑N материала.

Так как h и с постоянны, то длина волны зависит только от энергетической зоны, то есть от используемого материала. Это очень важный вывод.

Для чистого арсенида галлия (GaAs) А равно 900 нм. Добавляя небольшое количество алюминия, можно уменьшить длину волны до 780 нм. Чтобы получить еще более короткие длины волн, используется фосфид галлия арсенида (GaAsP) или фосфид галлия (GaP).

Основные различия между светодиодом и лазерным диодом – это различия между спектрами генерируемого излучения и углами направленности.

Светодиод генерирует излучение с длинами волн, лежащими в окрестности некоторого центрального значения, как показано на рис. 10.41. Лазерный диод дает очень узкую полосу частот, почти одной длины волны.

P‑N переход в светодиоде порождает излучение с более широким спектром, чем у лазерного диода, причем это излучение распространяется во всех направлениях, то есть светодиод не дает узконаправленного излучения. Дисперсия в сильной степени зависит от механического строения диода, его поглощения и отражения. Свет, однако, излучается во всех направлениях, и чтобы сузить пучок света, производители светодиодов помещают сверху что‑то вроде фокусирующих линз. И все равно угол получается слишком большим и не годится для одномодового волокна. По этой причине светодиоды не используются в качестве передающих устройств с одномодовым оптоволоконным кабелем.

Лазерные диоды изготавливаются из того же материала, что и светодиоды, процесс генерации света тоже аналогичен, но зона перехода гораздо меньше, а концентрация дырок и электронов выше. Индуцированныи свет может излучаться только с очень маленькой поверхности. При определенных уровнях тока процесс генерации фотонов попадает в резонанс и число индуцированных фотонов резко увеличивается, давая больше фотонов с одинаковой длиной волны и фазой. Таким образом, оптическое усиление достигается организованным образом, и генерированный свет представляет собой когерентное (по фазе) индуцированное излучение. Слово LASER образовано из первых букв light amplification by stimulated emission of radiation , что означает: «усиление света при помощи индуцированного излучения».

Чтобы «запустить» индуцированное излучение, для лазерного диода требуется минимальный ток от 5 до 100 мА – это так называемый пороговый ток. Этот порог гораздо выше, чем для обычного светодиода.

Однако, после запуска индуцированного излучения, лазерный диод дает большую оптическую мощность и очень маленький угол рассеяния.

Для передачи высоких частот и аналоговых сигналов важно, чтобы выходное излучение было линейно связано с приложенным током возбуждения, а также имело широкую полосу.

Со светодиодами в отношении линейности все нормально, однако не столь хорошо дела обстоят в высокочастотной области (по сравнению с ЛД), хотя все же передаваемая частота превышает 100 МГц, а этого для видеонаблюдения более чем достаточно.

Лазерные диоды могут легко давать частоты выше 1 ГГц.

Рис. 10.41. Спектр излучения светодиода (LED) и лазерного диода (LD)

Рис. 10.42. Зависимость интенсивности светового излучения от силы тока для светодиода

Вышесказанное может быть проиллюстрировано аналогией, которую мы приводили при обсуждении магнитной записи. Представьте себе, что выходной спектр светодиода или ЛД – это острые кончики карандашей. В спектре светодиода будут карандаши с более толстыми кончиками, а в спектре ЛД – с более острыми. При помощи остро заточенного карандаша можно писать маленькие буквы и разместить больше текста на заданном пространстве, то есть сигнал, модулированный ЛД, будет содержать более высокие частоты.

Однако, светодиоды дешевле, имеют более линейную характеристику и не требуют специальной управляющей электроники. Светодиод 850 нм стоит около $10, а 1300 нм – около $100. Средний срок службы светодиодов чрезвычайно высок (10⁶ – 10⁸ часов).

ЛД более дорогие, стоят от $100 до $15000. После перехода через пороговое значение, они дают прекрасную линейную характеристику. ЛД часто включают схему управления температурой, так как для них очень важна операционная температура, а для выходной мощности необходима стабилизация обратной связью. Несмотря на все это, у ЛД больше ширина полосы частот модуляции, более узкий несущий спектр, и они генерируют большую мощность. Средний срок службы ЛД ниже, чем у светодиодов, но все же довольно высок (10⁵‑ 10⁷ часов).

Всеобщее внимание привлекли новые, недавно появившиеся светодиоды – суперлюминесцентные диоды (СЛД). Технические характеристики СЛД лежат где‑то между светодиодами и ЛД.

Для видеонаблюдения светодиоды – достаточно хорошие источники света. ЛД чаще используются в многоканальных широкополосных мультиплексорах, а также в случае протяженных линий из одномодового стекловолокна.

Фотодетекторы в волоконной оптике

Устройства, принимающие оптический сигнал на другом конце оптоволоконного кабеля, называются фотодиодами. В большинстве своем – это действительно тот или иной тип диода.

Основные группы используемых в волоконной оптике фотодиодов:

– P‑N фотодиод (PNPD)

– PIN фотодиод (PINPD)

– Лавинный фотодиод (APD)

P‑N фотодиод похож на обычный кремниевый P‑N диод, чувствительный к инфракрасному свету. Основные его характеристики – низкая чувствительность и большое время нарастания сигнала.

PINPD – это модифицированный P‑N фотодиод с внутренним слоем между Р‑ и N‑типами кремния.

Характеризуется высокой чувствительностью и малым временем нарастания сигнала.

Лавинный диод аналогичен PINPD, но имеет одно преимущество – почти каждый падающий на него фотон дает более одной пары электрон/дырка в результате внутренней цепной реакции (лавинный эффект). Лавинный диод более чувствителен, чем PINPD, но дает больше шума.

Все эти базовые устройства комбинируются с каскадами усиления и «трансимпеданса» (усилитель, управляемый током), которые усиливают сигнал до требуемого уровня напряжения/тока.

Частоты передачи в волоконной оптике

Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий.

Эффекты, обусловленные влиянием материала:

– Рэлеевское рассеяние, вызванное неоднородностями в стекловолокне, размеры которых малы по сравнению с длиной волны. На 850 нм затухание за счет рэлеевского рассеяния может достигать 1.5 дБ/км, на 1300 нм эта величина меньше – 0.3 дБ/км, а на 1550 нм еще меньше – 0.15 дБ/км.

– Поглощение. Поглощение происходит в том случае, если в волокне присутствуют гидроксильные ионы и/или ионы металлов. Поглощение сказывается на ослаблении сигнала гораздо меньше, чем рэлеевское рассеяние, и ответственно за 0.2 дБ/км.

Внешние воздействия, приводящие к ослаблению сигнала:

– Микроизгибы.Возникают из‑за недостаточной точности изготовления кабеля – неоднородности волоконного кабеля по длине. Это может дать несколько дБ/км.

– Геометрия стекловолокна. Как и предыдущий пункт, но чаще из‑за плохого контроля за диаметром при вытяжке кабеля.

На приведенном ниже графике демонстрируется очень важный факт: при передаче сигнала по оптоволоконному кабелю различные длины волн (частоты) ослабляются в разной степени.

Рис. 10.43. Окна в волоконной оптике

Частотные зоны, сосредоточенные вокруг вертикальных штриховых линий, называются окнами волоконной оптики. Всего их три:

– Первое окно на 850 нм

– Второе окно на 1300 нм

– И третье окно на 1550 нм.

Первое окно на самом деле не дает минимального ослабления (в сравнении с более высокими частотами), но именно эта частота была впервые использована в оптической связи. Созданные для этой частоты светодиоды были достаточно эффективны и просты в изготовлении.

Все же это самая подходящая длина волны и самый дешевый способ передачи сигналов на короткие расстояния – как в случае видеонаблюдения.

Все чаще в видеонаблюдении используется длина волны 1300 нм. Эту длину волны предпочитают в профессиональной телекоммуникации, а также в системах видеонаблюдения с протяженными линиями передачи, где высокие цены на источники света не являются доминирующим фактором. Потери на этой частоте гораздо ниже – это тоже видно из графика. Разница в ослаблении сигнала между 850 нм и 1300 нм составляет примерно 2–3 дБ/км.

Длина волны 1550 нм дает еще меньшие потери, и системы будущего ориентируются именно на это окно.

Приведем для иллюстрации значение типичного ослабления сигнала в многомодовом оптоволоконном кабеле 62.5/125 мкм с источником света 850 нм – оно составляет менее 3.3 дБ на километр. Если с этим же стекловолокном использовать источник в 1300 нм, то ослабление составит менее 1 дБ. Следовательно, можно получить большую протяженность линии с тем же оптоволоконным кабелем, лишь заменив источник света. Это особенно полезно в случае аналогового сигнала, каковым и является видеосигнал.

Если с кабелем 62.5/125 мкм использовать источник 850 нм, то можно протянуть линию, по меньшей мере, на пару километров, чего обычно вполне достаточно для системы видеонаблюдения. Большую протяженность можно получить, если использовать многомодовое волокно с плавным профилем, а если при этом взять еще и источник 1300 нм (вместо 850 нм), то линия может стать еще длиннее.

Самая длинная линия связи получится с одномодовым оптоволоконным кабелем и источниками света в 1300 нм и 1550 нм.

Типичное ослабление для источника 1300 нм составляет менее 0.5 дБ/км, для 1550 нм – менее 0.4 дБ/км.

Пассивные компоненты

Кроме вышеупомянутых фотодиодов и детекторов, которые относятся к активным устройствам, в системах волоконной оптики используются и пассивные компоненты.

Это:

– Спайки : постоянное или полупостоянное сращение волокон.

– Разъемы : позволяют повторно подсоединять или отсоединять кабели.

– Ответвители (coupler ): устройства, распределяющие оптическую мощность между двумя или более волокнами или наоборот, объединяющие оптическую мощность нескольких волокон в одно.

– Коммутаторы : устройства, перераспределяющие оптические сигналы под ручным или электронным контролем.

Сращивание оптических волокон сваркой

Сварное соединение волокон часто осуществляется под микроскопом. Результат обычно получается хорошим, но оборудование может оказаться очень дорогим.

Процедура сращивания (сварка) оптических волокон состоит из очистки волокна, расщепления и помещения двух волокон в монтажный блок.

Точность позиционирования улучшается, если использовать микроскоп, который обычно является частью устройства. После выравнивания положения волокон, они свариваются при помощи дугового разряда. Этот процесс отслеживается, и если соединение получилось неудовлетворительным, то процесс повторяется.

Потери в местах сращивания невелики и обычно составляют порядка 0.1 дБ.

Рис. 10.44. Оборудование для сварки волокна

Рис. 10.45. ST‑разъем и точка

Механическое сращивание

Пожалуй, это наиболее распространенный метод сращивания волокон, так как при этом используются недорогие инструменты, а результат получается довольно неплохим.

Волокна выравниваются механическим образом относительно поверхности и (обычно) «сажаются» на эпоксидную смолу. Результат не столь хорош, как при сварке, но может быть довольно близок. Но главное, что оборудование для механического сращивания стоит не так дорого.

Потери при хорошем механическом сращивании лежат в пределах 0.1–0.4 дБ.

Два основных принципа механического сращивания:

– Использование V‑образной канавки

– Выравнивание осей.

Оба принципа показаны на рис. 10.46.

Рис. 10.46. Механическое сращивание

Чтобы соединение было хорошим, оптоволоконный кабель должен иметь хорошую концевую заделку – это все же самая трудная часть в прокладке стекловолокна. Здесь нужна высокая точность, терпение и немного практики. Любой может научиться делать концевую заделку оптоволоконного кабеля, а если установщики системы не имеют опыта работы с волокном, то можно пригласить специалистов, которые поставят нужные разъемы, заделают кабель и проверят его. Последнее – это самое главное мероприятие при установке оптоволоконного кабеля для систем видеонаблюдения.

Мультиплексоры в волоконной оптике

Мультиплексоры в волоконной оптике отличаются от ранее описанных видеомультиплексоров. Мультиплексоры в волоконной оптике объединяют несколько сигналов в один, таким образом используя один волоконный кабель для одновременной передачи нескольких сигналов реального времени. Они особенно практичны в системах с недостаточным числом кабелей (по сравнению с количеством телекамер).

Существует несколько типов волоконных мультиплексоров. Самое простое и наиболее приемлемое (по средствам) мультиплексирование оптической передачи – это использование устройств спектрального разделения (WDM, wavelength division multiplexing ). Эти устройства передают оптические сигналы от одного или нескольких источников, работающих на различных длинах волн, по одному кабелю. Такая передача становится возможна благодаря тому, что световые лучи различных длин волн не взаимодействуют (не пересекаются) друг с другом. Таким образом повышается пропускная способность кабеля, а в случае необходимости возможна также и двунаправленная передача данных.

Частотно‑модулированное частотное мультиплексирование (FM‑FDM, frequency‑modulated frequency division multiplexing ) – это экономически вполне приемлемое средство, достаточно невосприимчивое к шуму и искажениям, с хорошей линейной характеристикой и схемой средней степени сложности. На рынке существует всего несколько марок FM‑FDM‑мультиплексоров, предназначенных для систем видеонаблюдения. Эти устройства имеют 4, 8 или 16 каналов.

Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой, частотное мультиплексирование (AVSB‑FDM, amplitude vestigial sideband modulation, frequency division multiplexing ) – это еще один тип устройств, возможно, слишком дорогих для систем видеонаблюдения, но чрезвычайно привлекательных для абонентского телевидения: с качественной оптоэлектроникой устройство позволяет передавать до 80 каналов.

Импульсно‑кодовая модуляция, частотное мультиплексирование (PCM‑FDM) – еще один дорогой мультиплексор. Это полностью цифровое устройство, и интерес к нему будет расти вместе с распространением цифрового видео в видеонаблюдении.

Возможны также комбинации этих методов.

В видеонаблюдении чаще используются устройства FM‑FDM, позволяющие передавать больше сигналов по одному кабелю. WDM‑тип мультиплексирования особенно целесообразен для PTZ или пультов управления с матричным коммутатором. Видеосигналы передаются по раздельным оптоволоконным кабелям (один кабель на телекамеру), и только один кабель использует WDM для передачи управляющих данных в противоположном направлении.

Несмотря на то, что мультиплексирование в волоконной оптике становится все более доступным, следует отметить, что на стадии планирования инсталляции кабеля рекомендуется предусмотреть, по крайней мере, один резервный оптоволоконный кабель в дополнение к рабочему.

Рис. 10.47. Пример FM‑FDM мультиплексирования (методом спектрального уплотнения) в волоконной оптике