Волоконно-оптические системы связи

Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы связи включает в себя следующие основные компоненты.

1. Источник оптического излучения.

2. Средства модуляции оптического излучения передаваемым сигналом.

3. Фотоприемник, преобразующий принятый оптический сигнал в электрический.

4. Электронные устройства усиления и обработки сигнала, восстанавливающие исходный сигнал и представляющие его в виде, удобном для использования.

Отличие волоконно-оптической системы связи от систем радиосвязи, радиорелейных линий состоит лишь в том, что в ней несущая частота на несколько порядков выше, чем в этих системах.

С точки зрения применения устройств пикосекундной импульсной техники интерес представляют волоконные системы с импульсной модуляцией или, в частности, с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) оптического излучения. Структурная схема ИКМ-системы показана на рисунке 116. Здесь для обеспечения высокой информативной скорости использована двоичная импульсно-кодовая модуляция путем воздействия на ток полупроводникового (инжекционного) лазера потоком электрических импульсов с возвратом к нулю. Кроме того, для повышения скорости передачи информации использовано временное уплотнение ИКМ-сигналов с помощью мультиплексора.

Рисунок 116. Структурная схема волоконно-оптической ИКМ-системы связи

Преобразование оптического сигнала в электрический после его прохождения по волоконному световоду осуществляется с помощью прямого детектирования фотодиодом. На следующем этапе производится регенерация импульсов и восстановление тактовой частоты.

При скоростях принимаемой информации, измеряемых гигабитами в секунду, необходимы фотодиоды с временем реакции меньше 100 пс. Время реакции примерно 100 пс обеспечивают кремниевые лавинные фотодиоды. Более высоким быстродействием до 65 пс при меньшей чувствительности отличаются p-i-n-структуры без лавинного умножения. Время нарастания 30 пс на длинах волн от 0, 45 до 0, 88 мкм обеспечивают лавинные GaAs-GaAlAs-фотодиоды с гетеропереходами.

Приведенные характеристики фотодиодов определяют время нарастания переходных характеристик усилителей, необходимых в гигабитовых волоконно-оптических системах для обеспечения соответствующего уровня сигналов на входе регенераторов импульсов с восстановлением тактовой частоты и на входе ретрансляторов, если они имеются в системе. В последнем случае усилитель, реализуемый обычно на мощных ПТШ, выполняет функцию амплитудной модуляции лазерного излучения. Время нарастания переходных характеристик от 100 до 40 пс и амплитуду напряжения выходных импульсов от 1 до 5-7 В при любом практически необходимом коэффициенте усиления обеспечивают гибридно-интегральные усилители, выполненные на отечественных полевых и биполярных транзисторах. Эти же усилители, работающие от постоянного тока до 5-6 ГГц и выше и реализуемые по двухканальной схеме с частотным разделением каналов, обеспечивают практически без искажений передачу ИКМ-сигналов, для которых характерной является переменная величина постоянной составляющей.

Акустическая микроскопия

Изучение микромира в настоящее время ведётся с помощью оптического и электронного излучений, используемых в основе построения оптического и электронного микроскопов. Этим приборам присущ ряд ограничений:

1. Злектронные микроскопы, используемые для исследования структуры поверхности, пригодны лишь для объектов, выдерживающих условия вакуумной камеры.

2. Оптические микроскопы не могут применяться для изучения внутренних областей непрозрачных материалов.

3. Эти микроскопы непригодны для определения механических и упругих свойств микроструктур, что является их наиболее существенным недостатком.

Информация об этих свойствах необходима, например, при изучении плотности внутриклеточной среды биологических тканей и клеток, при изучении в микроэлектронике центров сплавления алюминия и кремния, адгезионных свойств кристаллических зерен, составляющих сплавы и керамику, области вокруг дислокаций и дефектов в монокристаллах в условиях сильных механических напряжений и т. п.

Эти свойства могут быть изучены с помощью микроскопов, в основу построения которых положено использование акустических волн, длина которых в жидкой среде сравнима с длиной волн видимого диапазона. На частоте 3 ГГц, например, длина акустической волны в воде равна длине волны 0, 5 мкм, в результате чего акустическая микрофотография приближается к оптической. При работе с акустическими волнами в качестве плоскости выходного изображения используют пьезоэлектрические пленки, отличающиеся высокой чувствительностью и широкополосностью. На их основе можно строить либо систему приемников, образующих " акустическую сетчатку" (по аналогии с сетчаткой глаза наблюдателя), либо один приемник в сочетании с механическим сканированием объекта. Недостаток (в принципе преодолимый) такого сканирования связан с малой скоростью, так как для получения одного кадра требуется несколько секунд. В то же время сканирующие системы с фокусировкой пучка в пятно размером не выше длины волны, в отличие от систем, воспроизводящих целиком все поле изображения, имеют следующие преимущества. Это отсутствие проблем, связанных с когерентностью излучения, и отсутствие интерференционных полос, характерных для оптических лазерных микроскопов. Кроме того, поточечная запись изображения идеально подходит для использования микропроцессоров в целях предварительного преобразования, запоминания и обработки изображения.

Основным узлом рассматриваемого микроскопа является акустическая линза. Свойство, заключающееся в превышении на порядок скорости звуковых волн в твердых телах по сравнению с жидкостями, положено в основу построения таких линз. При прохождении акустической волны через границу раздела твердого тела и жидкости из-за большой разности скоростей происходит сильное ее преломление. В случае сферической границы раздела лучи, выходящие из твердого тела, направляются практически по радиусу, что позволяет создавать простые линзы с однородной поверхностью, свободные от аберраций и фокусирующие пучок с дифракционной-расходимостью. Если граница раздела двух сред является плоской, то критический угол для полного внутреннего отражения волн, выходящих из жидкости, значительно меньше соответствующего угла оптических лучей. Это свойство позволяет работать в режиме отражения и изучать упругие свойства отражающей поверхности.

Рисунок 117. Структурная схема акустического микроскопа отражательного типа с рабочей частотой 1, 1 ГГц:

1 - задающий синхрогенератор; 2 - генератор импульсов; 3 - генератор импульсов с высокой частотой повторения; 4 - циркулятор; 5 - пьезоэлектрический преобразователь; 6 - твердое тело (А1₂О₃); 7 - акустическая линза; 8 - жидкость (Н₂0); 9 - отражающий (исследуемый) объект, 10 - генератор импульсов; 11 - модулятор на p-i-n-диоде; переключатель на p-i-n-диоде; 13 - механический сканер; 14 - устройство выборки и памяти; Я - полосовой фильтр; 16, 18 - усилители; 17 - аттенюатор; 19 - устройства управления сканером и питания осциллографа; 20 – осциллограф

На рисунке 117 изображена структурная схема акустического микроскопа отражательного типа с механически. Роль пьезоэлектрического преобразователя здесь выполняет пленка из напыленного оксида цинка между двумя пленками из золота. Такой преобразователь возбуждает плоскую волну и способен работать на частотах выше 10 ГГц. Возбуждение пьезоэлектрического преобразователя производится импульсами генератора на лавинном транзисторе, подключаемом через циркулятор. Спектр этих импульсов должен соответствовать диапазону рабочих частот акустической системы

Отраженный от исследуемого объекта импульс после предварительного усиления детектируется и используется для модуляции яркости по оси Z телевизионного монитора. Механическое сканирование объекта осуществляется по осям Х и Y. Изображение регистрируется путем фотографирования экрана монитора.

Список литературы

1. Ильюшенко В.Н., Авдоченко Б.И., Баранов В.Ю. и др. Пикосекундная импульсная техника /Под ред. В.Н. Ильюшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1993.

2. Моругин Л. А., Глебович Г. В. Наносекундная импульсная техника. М.: Советское радио, 1964.

3. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов / Г. В. Глебович, А. В. Андриянов, Ю. В. Введенский и др.; Под ред. Г. В. Глебовича. М.: Радио и связь, 1984.

4. Гоноровский И. С Радиотехнические цепи и сигналы. - 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1986.

5. Ланнэ А. А. Потенциальные характеристики линейных фильтрующих цепей. М.: Связь, 1974.

6. Лурье О. Б. Усилители видеочастоты. М.: Советское радио, 1961..

7. Силаев М. А., Брянцев С. Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ-устройств. М.: Советское радио, 1970.

8. Ross G.F. A Time Domain Criterion for the Design of Windband

Radiating Elements. – IEEE Trans. Antennas Propogat., Vol. 16, №3, 1968.

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8 9 10 11 1213