docdetekcji optycznej
download 
Reklamacja Transkrypt
detekcji optycznej
OPTOTELEKOMUNIKACJA dr inż. Piotr Stępczak 1 Odbiór koherentny W odróżnieniu do detekcji bezpośredniej technologia koherentna uwzględnia wszystkie aspekty falowe światła. Proces detekcji koherentnej jest czuły na amplitudę, częstotliwość fazę optycznego sygnału wejściowego. dr inż. Piotr Stępczak 2 Odbiór koherentny Główne zalety Większa czułość odbioru (o 5dB - 20dB) Większa i łatwiejsza do uzyskania selektywność Możliwość odbioru wszystkich rodzajów modulacji dr inż. Piotr Stępczak 3 System IM / DD 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 t t Laser światłowód Fotodioda modulacja 1 0 1 1 0 t dr inż. Piotr Stępczak 4 System koherentny 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 t sumator λ1 optyczny Laser λ1 t światłowód λ2 modulacja t 1 0 1 1 0 Fotodioda Detektor A, F, φ 1 0 1 1 0 t t Lokalny oscylator Laser dr inż. Piotr Stępczak 5 System koherentny Dane wej. Modulacja Amplitudy, Częstotliwości Fazy, Polaryzacji Ster. Mod. Mod. Ster. Laser CW Laser λ1= λ2 - homodyna λ1≠ λ2 - heterodyna λ1 λ2 NADAJNIK Dane wyj. PIN / APD WO Laser LO Ster. LO Dem. ODBIORNIK dr inż. Piotr Stępczak 6 System koherentny homodynowy Widmo sygnału modulacji Laser 1 f Widmo sygnału optycznego po modulacji Widmo sygnału optycznego i lasera 2 (LO) f Laser 2 f demodulacji f dr inż. Piotr Stępczak 7 System koherentny heterodynowy Widmo sygnału modulacji Laser 1 Widmo sygnału optycznego po modulacji f f Widmo sygnału optycznego i lasera 2 (LO) Laser 2 ∆f f demodulacji ∆f f dr inż. Piotr Stępczak 8 Czułość odbioru koherentnego Sygnał odbierany es = Es (t )e j (ω s t +φ s (t )) Sygnał lokalnego oscylatora eLO = ELO (t )e j (ω LO t +φ LO (t )) W odbiorze ma znaczenie natężenie pola elektrycznego, a nie tylko moc. dr inż. Piotr Stępczak 9 Czułość odbioru koherentnego Związek między natężeniem pola fali o ampl. E, a mocą fali optycznej padającej na pow. A 2 E A P= 2 ⋅ Zo Zo – impedancja falowa ośrodka (dla powietrza Zo = 120π [Ω]) dr inż. Piotr Stępczak 10 Czułość odbioru koherentnego Sygnał odbierany ma amplitudę i fazę zależną od czasu modulacja : amplitudy, fazy, częstotliwości Wypadkowa fala na fotodiodzie ew = es + eLO Prąd wyjściowy fotodiody (PIN lub APD) o pow. Ad 2 w E id = S d MAd 2 Zo dr inż. Piotr Stępczak 11 Czułość odbioru koherentnego Wypadkowa amplituda pola 2 (t ) ew = Es2 (t ) + ELO + 2 Es (t )ELO cos[(ωs − ω LO )t + φs (t ) − φ LO ] Użyteczny sygnał pośredniej częstotliwości Es (t )ELO id = 2 S d MAd cos ω p t + φs (t ) − φLO 2 Zo [ gdzie ] φ p (t ) = φs (t ) − φLO dr inż. Piotr Stępczak 12 Czułość odbioru koherentnego Użyteczny sygnał pośredniej częstotliwości [ ] id = 2 S d M Ps (t ) PLO cos ω p t + φ p (t ) Możliwość dowolnego zwiększania członu sygnałowego PLO (zwiększa to moc szumu śrutowego od lasera lokalnego) dr inż. Piotr Stępczak 13 Korzyści detekcji koherentnej Amplituda sygnału prądowego przy modulacji AM, ASK I ASK = 2 S d M Ps (t ) PLO PSK ze skokiem 180o I PSK = I 0 o − I180 o = 4 S d M Ps (t ) PLO dr inż. Piotr Stępczak 14 Korzyści detekcji koherentnej W porównaniu z detekcją bezpośrednią I D = S d MPs I ASK PLO =2 ID Ps I PSK PLO =4 ID Ps PLO >> Ps dr inż. Piotr Stępczak 15 Korzyści detekcji koherentnej Z uwzględnieniem szumów ( ) 2 2 S d M Ps PLO S = N ASK 2 qBM 2 ,5 S P + 4 KTBF d LO R dla PLO >> Ps S d Ps ηPs S S ≈ = = 2 0 ,5 0 ,5 hνBM N ASK qBM N kw dr inż. Piotr Stępczak 16 Czułość odbioru koherentnego P [W] 10-3 DD – PIN 10-4 DD – APD 10-5 CD – PIN 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 1 10 100 1000 B [MHz] dr inż. Piotr Stępczak 17 Korzyści detekcji koherentnej Większy stosunek sygnału do szumu (SNR) Możliwość zwiększenia zasięgu transmisji (odcinków regeneracyjnych) przy utrzymaniu mocy optycznej źródła na tym samym poziomie Możliwość zwiększenia pasma transmisyjnego przy niezmienionym budżecie mocy optycznej (Możliwa transmisja o przepływności rzędu Gbit/s na ok..200km) dr inż. Piotr Stępczak 18 Korzyści detekcji koherentnej Łatwość korekcji charakterystyki dyspersyjnej światłowodu na drodze elektrycznej. Zależność szybkości transmisji w światłowodzie od częstotliwości można łatwo skompensować stosując odpowiednie filtry mikrofalowe, bądź linie opóźniające. Dodatkowa poprawa czułości poprzez zastosowanie np. modulacji fazy, co było niemożliwe przy użyciu niekoherentnych systemów transmisji dr inż. Piotr Stępczak 19 Korzyści detekcji koherentnej Duża poprawa selektywności odbioru poprzez przesunięcie widma optycznego sygnału do częstotliwości elektrycznych (filtry optyczne nie są jeszcze tak selektywne jak filtry elektryczne) Widmo sygnału Laser 1 ∆f1 LO ∆f2 ν Laser 2 ∆ν ∆ν ν Laser 3 ∆f3 po demodulacji fp1 fp2 fp3 fp ν 3 ∆ν 4 1 = ∆ν 4 5 = ∆ν 4 f p1 = f p2 f p3 dr inż. Piotr Stępczak 20 Trudności detekcji koherentnej Wymagana zgodność polaryzacji fal pochodzących od lasera lokalnego oraz niosącej sygnał użyteczny dla zapewnienia odpowiedniej jakości detekcji heterodynowej (interferencja) Fotodetektor o kwadratowej charakterystyce id = S d Ad (Es + ELO )2 Es Zmiany : temperatury, ciśnienia, naprężeń wewn., zgięcia włókna 2 Zo ELO id dr inż. Piotr Stępczak 21 Trudności detekcji koherentnej Wymagana zgodność polaryzacji fal pochodzących od lasera lokalnego oraz niosącej sygnał użyteczny dla zapewnienia odpowiedniej jakości detekcji heterodynowej (interferencja) Sposoby walki ze zmianą polaryzacji: Skramblowanie polaryzacji Użycie światłowodu utrzymującego polaryzację Kontrola polaryzacji lasera odbiorczego Odbiór rozproszony dr inż. Piotr Stępczak 22 Trudności detekcji koherentnej Sposoby walki ze zmianą polaryzacji: Skramblowanie polaryzacji Użycie światłowodu utrzymującego polaryzację Odbiór rozproszony λ1 Dane wyj. Sprzęgacz Sygnał wej. PIN / APD λ2 Kontr. Polar. WO Dem. Ster. KP Laser LO Ster. LO dr inż. Piotr Stępczak 23 Trudności detekcji koherentnej Sposoby walki ze zmianą polaryzacji: Skramblowanie polaryzacji Użycie światłowodu utrzymującego polaryzację Kontrola polaryzacji lasera odbiorczego λ1 Sprzęgacz Sygnał wej. λ2 Rozdz Polar. PIN / APD Dane wyj. + PIN / APD Laser LO WO i2 WO i2 Ster. LO dr inż. Piotr Stępczak 24 Trudności detekcji koherentnej Konieczność stabilizacji linii widmowych laserów Detekcja koherentna będzie możliwa kiedy, różnica częstotliwości między heterodyną a laserem nadawczym będzie stała i będzie mieścić się w zakresie pasma elektrycznego odbiornika. Długość fali emitowanej przez laser ulega zmianom wraz z wahaniami prądu (0.01-0.1 nm/mA) oraz temperatury (0.1-1 nm/K). dr inż. Piotr Stępczak 25 Trudności detekcji koherentnej Konieczność stabilizacji linii widmowych laserów Detekcja koherentna będzie możliwa kiedy, różnica częstotliwości między heterodyną a laserem nadawczym będzie stała i będzie mieścić się w zakresie pasma elektrycznego odbiornika. Sposoby stabilizowania długości fali laserów: zastosowanie układów sprzężenia zwrotnego z użyciem np. termistora jako czujnika temperatury i elementu Peltier jako regulatora dr inż. Piotr Stępczak 26 Trudności detekcji koherentnej Wymagana wąska linia widmowa laserów Splot widma lasera nadawczego i widma sygnału okresowego musi mieścić się w zakresie pasma filtru odbiornika elektrycznego, aby nie zmniejszać SNR Warunki na dopuszczalną szerokość linii widmowej laserów: Modulacja ASK ∆f = 0,1 BR Modulacja PSK ∆f = 0,1 BR Modulacja PSK hom. ∆f = 10-4 BR dr inż. Piotr Stępczak 27
