Волоконно-оптические системы передачи - Вариант 05

1. Что принято понимать под волоконно-оптической системой передачи?
2. Какой диапазон электромагнитных волн (частот) получил наибольшее применение в оптических системах передачи?
3. Какой физический смысл у показателя преломления?
4. Какие характеристики имеют стекловолокна?
5. Какие оптические диапазоны определены для улучшенных волокон стандарта G.652?
6. Чем принципиально отличаются волокна SMF и NZDSF?
7. В чем физический смысл “запрещённой зоны” полупроводниковых материалов?
8. Почему соединение GaAs может использоваться для изготовления источников и приёмников оптического излучения ВОСП?
9. Чем отличаются прямозонные и непрямозонные материалы?
10. Какие функции может выполнять p-n переход в оптических приборах при прямом и обратном смещении?
11. Какие устройства могут входить в состав ВОСП?
12. Какие функции выполняет оптический конвертор ВОСП?

Задача 1
Определить затухание, дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим затуханием (дБ/км) на длине волны излучения передатчика 0 (мкм), ширине спектра излучения (нм), на уровне половины максимальной мощности излучения. Определить расстояние, на котором хроматическая дисперсия сравняется с поляризационной модовой дисперсией (ПМД) в указанном по варианту типе волокна.
Длина оптической секции, L (км) - 42
Тип волокна - True Wave
Коэфф. затухания, (дБ/км) - 0,27
Длина волны, 0 (мкм) - 1,54
Спектральная линия, (нм) - 0,4
Коэфф. хроматич. дисперсии, (пс/(нм*км)) - 3,7

1. Какие виды мультиплексирования используются в оптических системах передачи?
2. Какие циклы передачи (по длительности и ёмкости) создаются при мультиплексировании PDH?
3. В чем сущность мультиплексирования PDH?
4. Какой цикл PDH создаётся синхронно, а какие плезиохронно?
5. Какие цифровые блоки создаются при мультиплексировании SDH?
6. Что представляет собой цикл STM-N в SDH (по структуре и скорости передачи)?
7. Какие цифровые блоки SDH создаются синхронным мультиплексированием?
8. В чем сущность мультиплексирования ATM?
9. Какие виды цифрового и оптического мультиплексирования применяются в OTH?
10. Какие скоростные режимы передачи цифровых данных могут поддерживаться в оптических каналах OTH?
11. Чем принципиально отличаются скорости и циклы передачи OTH и SDH?
12. В чем сущность мультиплексирования Ethernet?
13. Чем отличаются кадры Ethernet от ячеек АТМ?
14. Сколько ступеней мультиплексирования предусмотрено в Ethernet?
15. Чем отличаются кадры разных ступеней мультиплексирования Ethernet?

Задача 2
Определить число подряд следующих циклических транспортных структур технологии SDH или OTH (по варианту таблицы 2), которые необходимы для переноса заданного числа кадров Ethernet PBT. Определить общее время передачи этих кадров. Изобразить цепочку преобразования этих кадров в соответствующие структуры оптической передачи.
Общее число кадров Ethernet PBT - 4
Транспортные структуры - OPU3

1. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения?
2. Чем отличаются конструкции и характеристики торцевого (суперлюминесцентного) и поверхностного светодиодов для оптической связи?
3. Какие конструкции лазеров применяются в технике оптической связи?
4. Что представляет собой резонатор Фабри – Перо и какие он имеет характеристики?
5. Как устроен полупроводниковый гетеролазер с резонатором Фабри – Перо и как формирует когерентное излучение?
6. Каким образом в лазерах достигается одномодовый режим генерации?
7. Почему и какими средствами стабилизируют температурный режим работы лазера?
8. Как можно перестроить длину волны излучения одномодового лазера?
9. Что показывает диаграмма направленности излучения светодиода и лазера?
10. Чем согласуют источники излучения с волоконными световодами и атмосферой?

Задача 3
Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри – Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).
Определить число мод в лазере FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.
Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде при коэффициенте отражения R.
Изобразить конструкцию полоскового лазера FP. Изобразить модовый спектр.
Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Изобразить конструкцию лазера DFB.

L, мкм - 190
, нм - 50
n - 3,65
, мкм - 0,47
R - 0,3

L, мкм - 140
порядок решетки, m - 6
Шаг решетки, d, мкм - 0,5
Показатель преломления, - 3,9

1. Что такое модуляция?
2. В чем состоит принципиальное отличие прямой и внешней модуляций оптического излучения?
3. В чем заключается сущность прямой модуляции в схемах с полупроводниковыми источниками оптического излучения?
4. Почему полоса частот при прямой модуляции ограничена?
5. Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции?
6. Чем отличаются модуляционные характеристики схем с лазером и светодиодом?
7. Какие виды внешней модуляции оптического излучения применяются в системах передачи?
8. Чем отличается электрооптический внешний модулятор от электроабсорбционного?
9. Какие виды внешней модуляции оптического излучения обеспечиваются модулятором Маха-Зендера?
10. Какие шумы образуются при модуляции?
11. Как уменьшить нелинейные искажения при модуляции?
12. Как устроен передающий оптический модуль?
13. С какой целью в состав передающего оптического модуля вводятся термодатчик и терморегулятор?
14. Какие электрические и оптические характеристики имеет передающий оптический модуль?

Задача 4
По данным таблицы 5 построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него. Для заданных (по варианту) тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов (таблица 6) определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции . По построенной характеристике указать вид источника (светодиод или лазер?).

I , мА 0 5 10 15 18 20 22 24 26 28
P , мкВт 0 15 30 45 60 90 160 230 310 370

Ток смещения, мА - 9
Амплитуда тока модуляции, мА - 7

1. Какие требования предъявляются к фотоприемникам оптических систем передачи?
2. Какие виды фотодетекторов используются в оптических системах передачи?
3. Почему в основном применяются полупроводниковые фотодиоды в оптических системах передачи?
4. Какие основные оптические и электрические характеристики имеет фотодиод конструкции p–i–n?
5. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?
6. Почему у фотодетекторов есть длинноволновая граница чувствительности?
7. Чем отличается конструкция лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции фотодиода p–i–n?
8. Чем отличается принцип действия ЛФД от фотодиода p–i–n?
9. Какими средствами сокращается время включения фотодиода?
10. Чем определяется коэффициент усиления ЛФД?
11. Почему фотодиоды шумят?
12. Какие шумы фотодиодов принципиально неустранимы?
13. Почему фотодиоды типа TAP и TWPD относят к перспективным приборам?

Задача 5
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 7. Используя график и данные таблицы 8 определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.
Чувствительность, А/Вт Длина волны, мкм
0,28 0,85
0,32 1
0,43 1,1
0,53 1,2
0,58 1,3
0,65 1,4
0,73 1,5
0,64 1,6
0,1 1,78

Мощность излучения, , мкВт - 0,2
Длина волны, λ, мкм - 1,29

1. Чем отличается прямое фотодетектирование от фотодетектирования с преобразованием?
2. Какие функциональные блоки входят в схему фотоприемного устройства (ФПУ) с прямым детектированием?
3. Какие виды предварительных усилителей применяются в фотоприемных устройствах?
4. Из каких элементов состоит входная цепь фотоприемного устройства с прямым детектированием?
5. Как устроена входная цепь фотоприемного устройства детектирования с преобразованием?
6. Как соотносятся между собой электрическая и оптическая полосы частот пропускания ФПУ?
7. Чем определяется величина соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ?
8. Чем выполняется противошумовая коррекция в ФПУ?
9. Чем отличается гомодинный приемник сигнала от гетеродинного в ФПУ с преобразованием?
10. Что используется для детектирования оптического сигнала с фазовой модуляцией?

Задача 6
Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) усилитель и фотодетектор (p-i-n).

кОм - 1000
пФ - 1
М - 1
FШ(М) - 1
Т, 0К - 280
DШ - 2
Кус - 1000
Рпер, дБ - +4
L, км - 60
, дБ/км 0,23

1. На каких физических явлениях основаны оптические усилители?
2. Какие типы усилителей могут применяться в оптических системах передачи?
3. Как устроены и действуют полупроводниковые оптические усилители?
4. Из каких устройств состоят и как действуют волоконные усилители на основе рассеяния Рамана?
5. Как устроены и действуют усилители на примесном волокне (на примере Er+)?
6. Какими характеристиками описывают оптические усилители?
7. В каких частях оптических систем передачи могут использоваться усилители?
8. Какие шумы и искажения имеют место в оптических усилителях?
9. Какие реальные коэффициенты усиления обеспечивают полупроводниковые и волоконные оптические усилители?
10. В чем преимущество рамановских оптических усилителей?

Задача 7
Определить длину взаимодействия L излучения накачки в рамановском усилителе, при которой коэффициент распределенного усиления G= (по варианту таблицы 10), при соответствующей мощности накачки PН, площади модового пятна А и рамановском коэффициенте усиления материала g.

РН, Вт - 1
А, мкм2 - 20
G, дБ - 12
, м/Вт - 5

1. Какие разновидности линейных трактов существуют в оптических системах передачи?
2. Чем ограничены возможности использования атмосферных оптических линейных трактов?
3. Какие различия имеют одноволновые оптические линейные тракты ВОСП?
4. Какие различия имеют многоволновые (многоканальные) оптические линейные тракты ВОСП-WDM?
5. Какие функции выполняет транспондер?
6. Чем отличаются сетки частот и волн DWDM и CWDM?
7. Какие требования предъявляются к линейным кодам ВОСП?
8. Чем отличаются форматы RZ и NRZ в линейных кодах ВОСП?
9. Чем отличаются коды 1В2В от кодов mBnB?
10. В чем сущность скремблированных линейных кодов?
11. В чем сущность коэффициента битовых ошибок BER или Кош?
12. С какой целью нормируют BER?
13. Какие устройства линейного тракта ВОСП способствуют увеличению BER?
14. Чем определяется длина регенерационного участка ВОСП?
15. Какие устройства могут входить в состав линейного тракта многоволновой ВОСП?
16. От каких факторов зависит величина OSNR в оптическом канале ВОСП-WDM?
17. Что подлежит расчёту или оценке при проектировании сложных линейных трактов ВОСП-WDM?
18. С какой целью в ВОСП используется оценка Q-фактора?
19. С какой целью в ВОСП используется FEC?
20. Какие разновидности оптических интерфейсов относят к стандартным?
21. Что нормируется в одноволновых и многоволновых оптических интерфейсах?
Задача 8.1
Используя приложения 1 конспекта лекций для оптических интерфейсов аппаратуры SDH, определенных рекомендациями МСЭ-Т G.957 и G.691, определить по таблице предельную дальность передачи по двум типам волокон без промежуточных регенератров, но с возможным использованием оптических усилителей. Также определить минимальное расстояние между оптическим передатчиком и оптическим приёмником заданного интерфейса для исключения перегрузки приёмника.
Интерфейс - L4.2
Строительная длина кабеля, L, км - 2
Затухание на стыке, lS, дБ - 0,05
Затухание на разъемном стыке, lC, дБ - 0,65
Тип волокна 1 - G652
, дБ/км - 0,24
, пс/нмкм - 16,0
0,02
Тип волокна 2 - G655
, дБ/км - 0,25
, пс/нмкм - 8,1
0,04
Число разъемных соединений, NC - 4
Потери на повреждение кабеля, , дБ/км - 0,05
Максимальная вводимая мощность, PMAX, дБм - +13
Минимальная вводимая мощность, PMIN, дБм - +10
Минимальная чувствительность приемника, дБм - -24
Максимальный штраф оптического тракта PD, дБ - 1
Минимальная перегрузка, дБм - -9

Задача 8.2
Для заданного количества оптических каналов в ВОСП-WDM и OSNR (таблица 12) каждого канала определить минимальный допустимый уровень передачи одного канала и максимальный допустимый уровень всех каналов в стекловолокне при использовании на промежуточных станциях MУС – эрбиевых усилителей с усилением A и с коэффициентом шума NF (таблица 12). Для скоростей передачи цифровых данных в формате NRZ 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с считать шум спонтанной эмиссии -58 дБ и -56дБ соответственно.
Число каналов, N - 4
Скорость передачи, Гбит/с - 2,5
OSNR, дБ - 20
Число оптических усилителей, MУС - 9
Коэффициент усиления, , дБ - 24
Коэффициент шума, NF, дБ - 5,5

1. Какие разновидности пассивных компонентов применяются в составе оптических систем передачи?
2. Какие виды оптических волновых мультиплексоров обеспечивают максимальное число объединяемых волн?
3. Каким образом может осуществляться волновое демультиплексирование (разделение оптических волн)?
4. Какие виды оптических коммутационных устройств могут использоваться в составе оптических систем передачи, кроссовых коммутаторов и маршрутизаторов?
5. Какие из оптических коммутаторов характеризуются наивысшим быстродействием?
6. Как устроен и действует оптический вентиль?
7. Где применяются оптические вентили в составе систем передачи?
8. Какие функции выполняют оптические фильтры?
9. Какое назначение у конверторов длин волн?
10. Какое назначение имеют оптические разветвители и аттенюаторы?
11. Какое назначение имеют компенсаторы дисперсии?
12. Что представляют собой оптические мультиплексоры OADM и ROADM?

Задача 9
Определить число оптических каналов на каждой из оптических секций мультиплексирования в цепочке, состоящей из 2-х терминальных WDM мультиплексоров и 2 промежуточных оптических мультиплексоров типа ROADM. Внутри каждой пары оптических мультиплексоров организовано 7 оптических каналов. Определить по данным приложения и привести характеристики интерфейса DN100S-1D2(с) одного оптического канала.

1. Что представляет собой оптический солитон?
2. Почему в стекловолокне может образоваться оптический солитон?
3. Почему солитон сохраняет свою форму при распространении по оптической линии на большие расстояния?
4. Какую длительность имеет оптический солитон в стекловолокне?
5. Как должны соотноситься длительность солитона и период следования солитонов?
6. Какие устройства должны входить в состав солитонной системы передачи?
7. Каким образом импульсы информационного сигнала преобразуются в солитоны?
8. Каким образом солитоны преобразуются в импульсы информационного сигнала?
9. Почему солитоны при распространении по стекловолокну могут оказаться неустойчивыми и «рассыпаться»?
10. Какие скорости передачи могут быть реализованы с помощью солитонов?
11. Что представляют собой фотонные кристаллы?
12. Где можно использовать фотонные кристаллы в составе ВОСП?
13. Какие технологии называют нанофотонными?
14. Какие нанофотонные компоненты можно применить в ВОСП?

Работа сдана.
Высокая цена обоснована объемом работы - 63 листа.
Ответы с рисунками, схемами, графиками по 10 темам курса.