Контрольная работа по дисциплине: Основы оптической связи (часть 2-я). Вариант №5

1. Основы физической и квантовой оптики
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:
1. Почему применяют диапазона волн 0,4 - 1,8мкм в технике оптической связи?
2. Объяснить связь энергии фотона и длины волны излучения.
3. Объяснить законы, являющиеся основой геометрической оптики.
4. В чём физический смысл показателя преломления?
5. Почему поляризуются электромагнитные волны?
6. Что является результатом интерференции волн?
7. Перечислить оптические приборы техники связи, которые строятся на основе интерференции.
8. Как устроена дифракционная решетка?
9. В чём смысл условия Брэгга-Вульфа?
10. Объяснить смысл «запрещённой зоны» полупроводниковых материалов.
11. Для чего предназначено соединение GaAs в технике ВОСП?
12. Что служит признаком отличая прямозонных и непрямозонных материалов?
13. Что возможно в p-n переходах оптических приборов при прямом и обратном смещении?
14. Какое устройство в ВОСП имеет отражательные дифракционные решетки?
15. Какие компоненты входят в состав ВОСП?
16. Для чего нужен оптический конвертор ВОСП?

2. Физические среды оптической связи и их характеристики
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:
1. Привести определение волоконно-оптической системой передачи.
2. Указать диапазон электромагнитных волн (частот) для применение в оптических системах передачи.
3. Что относится к передаточным характеристикам волоконных световодов?
4. Назвать материалы для изготовления волоконных световодов.
5. В чём измеряют потери оптической мощности в стекловолокне?
6. В чём отличие характеристик волоконных световодов стандарта G.652 с различными буквенными индексами (A,B,C, D)?
7. Определить полосу частот рабочего диапазона S для SMF улучшенного типа.
8. Почему образуется дисперсия в оптическом волокне?
9. Чем отличаются конструкции и характеристики волокон SMF, NZDSF и DCF?
10. Почему возможны разные виды дисперсии в волоконных световодах?
11. Что такое ПМД?
12. Как влияет ПМД на скорости и дальности передачи в оптических линиях?
13. Почему появляются нелинейные оптические эффекты в стекловолокне?
14. Чем вызваны потери оптической энергии в атмосфере Земли?
15. Назвать основные конструкции оптических кабелей.

Задача 2
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 0,5 (нм) на уровне половины максимальной мощности излучения. Данные для задачи приведены в табл.2.1 и 2.2. Определить мощность оптического излучения в волокне на выходе секции, если на входе подключен оптический генератор с уровнем мощности +10дБм на заданной длине волны λ0. Составить схему измерения этой мощности оптическим тестером.
Табл. 2.1. Длина оптической секции
Параметр
 0
Длина оптической секции, км 
42
Уровень оптической мощности на передаче pS, дБм 0

Табл. 2.2. Характеристики волокон
Параметр
 5
Тип волокна True Wave
Коэфф. Затухания,
α, дБ/км 0,28
Лина волны,
λ0, нм 1,56
Спектральная линия, Δλ0,5, нм 0,2
Коэфф. Хроматич. дисперсии, ϭХр, пс/(нм×км) 3,5
Затухание на разъёмных соединениях, lrs , дБ 0,6

3. Пассивные устройства в оптической схемотехнике
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте кратко письменно
на следующие вопросы:
1. Что соединяют оптические розетки?
2. Чем отличаются оптические аттенюаторы?
3. Какие устройства входят в состав оптического кросса?
4. Что разделяют оптические разветвители?
5. Что изолирует оптический изолятор?
6. Что объединяют и разделяют оптические мультиплексоры и
демультиплексоры?
7. Где применяется компенсатор дисперсии?
8. Как можно изменить маршрут световой волны?
9. Определите назначение OADM.

4. Модули передачи оптических сигналов
4.1. Источники оптического излучения
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте кратко письменно на следующие вопросы:
1. Что различного в конструкции и характеристиках торцевого и поверхностного светодиодов для оптической связи?
2. Перечислить конструкции лазеров для передатчиков техники оптической связи.
3. Представить резонатор Фабри – Перо и его характеристики.
4. Назвать способы достижения одномодового режима генерации в лазерах.
5. Как поддерживается температурный режим работы лазера?
6. Как перестроить длину волны излучения одномодового лазера?
7. Привести и сравнить диаграмму направленности излучения светодиода и лазера.
8. Какими приборами подключаются светодиоды и лазеры к волоконным световодам?
Задача 4.1
Определить характеристики одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).
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. Исходные данные приведены в табл. 4.1-4.2.
Табл. 4.1. Лазер DFB, длина решетки
Параметр
лазера DFB
 0
Длина решетки резонатора, L, мкм 
145

Табл. 4.2. Лазер DFB, основные показатели
Параметр лазера DFB
 5
Порядок решетки, m 6
Шаг решетки, d, мкм 0,51
Показатель преломления, nэ 3,62

4.2. Модуляция оптического излучения
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на
следующие вопросы:
1. Объяснить принципиальное отличие прямой и внешней модуляций
оптического излучения.
2. Назвать ограничения полосы информационного сигнала частот при
прямой модуляции для СИД и ППЛ.
3. Причины искажения сигналов при прямой модуляции в СИД и ППЛ.
4. Сравнить модуляционные характеристики схем с ППЛ и СИД.
5. Назвать виды внешней модуляции оптического излучения, которые
применяются в системах передачи.
6. Назвать отличия электрооптического внешнего модулятора от
электроабсорбционного модулятора на основе эффекта Франца-Келдыша.
7. Какие виды внешней модуляции оптического излучения обеспечиваются
модулятором Маха-Зендера?
8. Объяснить форматы модуляции, реализуемые с помощью MZM.
9. Назвать компоненты в составе передающего оптического модуля.
10. Назначение термодатчика и терморегулятора в состав передающего
оптического модуля.
11
Задача 4.2
По данным табл. 4.3 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 (табл. 4.4 и 4.5)
определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс
и Рмин и определить глубину модуляции . Показать на графике
модулирующий электрический и модулированный оптический сигналы.
Рассчитать коэффициент гашения. По построенной характеристике указать
вид источника (светодиод или лазер?).

Таблица 4.3 – Значения для построения ВАХ
I, мА 0 5 10 15 18 20 22 24 26 28
P, мкВт 0 15 30 45 60 90 160 230 310 370

Таблица 4.4
Параметр
 0
Ток смещения, мА 9

Таблица 4.5
Параметр
 5
Амплитуда тока модуляции, мА 4

Задача 4.3
Для модулятора Маха-Зендера рассчитать и построить передаточную (модуляционную) характеристику по варианту согласно табл. 4.6. Выбрать на построенной характеристике напряжение начального смещения с учётом амплитуды и полярности модулирующего сигнала, представленного по варианту в табл.4.7. Показать на рисунке изменение относительной величины оптической мощности при модуляции (пример на рис.4.51). По рисунку определить глубину модуляции.


Табл. 4.6. Полуволновое напряжение MZM
Параметр
Полуволновое
напряжение Vπ, В 0
 7

Табл. 4.7. Модулирующий сигнал
Параметр
 5
Амплитуда, В 2
Форма синусоид. или импульсная 


Полярность ±

5. Модули приёма оптических сигналов
5.1. Фотодетекторы
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на
следующие вопросы:
1. Назвать виды фотодетекторов для оптических систем передачи.
2. Преимущества применения полупроводниковых фотодиодов в
оптических системах передачи.
3. Что ограничивает диапазон оптических частот для фотодетектирования в
полупроводниковых приборах?
4. Чем обусловлена длинноволновая граница чувствительности фотодиодов?
5. Что отличает конструкцию лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции
фотодиода p-i-n?
6. Какое различие в принципе действия ЛФД и фотодиода p-i-n?
7. В каких конструкциях сокращается время включения фотодиода?
8. От чего зависит коэффициент усиления ЛФД?
9. Причины шума фотодиодов.
10. Назвать шумы фотодиодов, которые принципиально неустранимы.
11. Указать преимущество фотодиодов типа TAP и TWPD перед ЛФД и P-i-N.
12. Указать условия применения селективных фотодетекторов.

5.2. Фотоприёмные устройства
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на следующие вопросы:
1. Назвать отличие прямого фотодетектирования от фотодетектирования с преобразованием.
2. Укажите виды предварительных электрических усилителей для фотоприемных устройств.
3. Назвать элементы входной цепи фотоприемного устройства с прямым детектированием.
4. Устройство входной цепи фотоприемного устройства детектирования с преобразованием. Принципиальное отличие от ФПУ прямого детектирования.
5. Соотношение между электрической и оптической полосами частот пропускания ФПУ.
6. Что определяет величину соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ?
7. Чем выполняется противошумовая коррекция в ФПУ?
8. Назвать отличия гомодинного приемника сигнала от гетеродинного в ФПУ с преобразованием.
9. Что применяется для детектирования оптического сигнала с фазовой модуляцией?
Задача 5.2
Рассчитать полосу пропускания входной цепи ФПУ с ИУ (ТИУ). Определить требуемую электрическую полосу пропускания для фотоприёмного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) или трансимпенансный (ТИУ) усилитель и фотодетектор (ЛФД или p-i-n). Для ТИУ рассчитайте требуемый коэффициент обратной связи Кус. Рассчитать значение фототока и отношение сигнал/шум на выходе ФПУ. При условии оптимального приема рассчитать значение Q-фактора и соответствующее ему значение BER для данного ФПУ.
Исходные данные по вариантам приведены в табл. 5.1, 5.2 и 5.3

Табл. 5.1. Характеристики фотодетектора

Параметр
 0
Тип ФД p-i-n
Тип предусилителя 
ИУ
Rэ, кОм 1000
Сэ, пФ 1
ηвн 0,4
М 1
Fш(М) 1
Т 280
Dш 2
В, Мбит/с 100

Табл. 5.2. Характеристики линии
Параметр
 5
Pпер, дБм 4
L, км 60
α, дБ/км 0,23

Таблица 5.3 Длина рабочей волны
Параметр
 5
Длина волны λ, мкм 1,29

6. Оптические усилители
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на
следующие вопросы:
1. Объяснить физические явления, положенные в основу оптического
усиления?
2. Назвать типы усилителей, которые могут применяться в оптических
системах передачи.
3. Как устроены и почему усиливают волоконные приборы на основе
эффекта рассеяния Рамана?
4. Перечислить характеристики оптических усилителей.
5. Назвать места использования оптических усилителей в составе систем
передачи.
6. Виды шумов оптических усилителей и причины возникновения.
7. Назвать реальные величины коэффициентов усиления оптических
усилителей (в дБ и в разах по мощности).
8. Назвать преимущества использования рамановских оптических
усилителей.

Задача 6
Определить длину взаимодействия L излучения накачки в рамановском усилителе, при которой коэффициент распределенного усиления G= (по варианту табл.6.1), при соответствующей мощности накачки Pн, площади модового пятна А и рамановском коэффициенте усиления материала g (табл.6.2). Составить схему включения рамановской накачки встречно усиливаемому сигналу.

Табл. 6.1. Накачка усилителя
Параметр
 0
Pн, Вт 1,1
А, мкм2 33
G, дБ 12

Табл. 6.2. Коэффициент рамановского рассеяния
Параметр

 5
g, ×10-14 м/Вт 5

7. Линейные тракты оптических систем передачи
Изучите конспект, учебную литературу и ответьте письменно на
следующие вопросы:
1. Назвать разновидности линейных трактов оптических систем передачи.
2. Почему ограничены возможности атмосферных оптических линий?
3. Что может входить в состав одноволновых оптических линейных трактов ВОСП?
4. Что может входить в состав многоволновых (многоканальных) оптических линейных трактов ВОСП-WDM?
5. Назвать назначение транспондера ВОСП-DWDM.
6. Назвать сетки частот и волн DWDM и CWDM и их отличие.
7. Перечислить требования к линейным кодам ВОСП.
8. Отличие форматов RZ и NRZ в линейных кодах ВОСП.
9. Отличие кодов 1В2В от кодов mBnB.
10. Назначение 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. Чем определяется величина OSNR в оптическом канале ВОСП-WDM?
16. Что подлежит расчёту или оценке при проектировании сложных линейных трактов ВОСП-WDM?
17. С какой целью в ВОСП используется оценка Q-фактора?
18. С какой целью в ВОСП используется FEC?
19. Что представляет собой оптический солитон?
20. Почему в стекловолокне может образоваться оптический солитон?
21. Почему солитон сохраняет свою форму при распространении по оптической линии на большие расстояния?
22. Какую длительность имеет оптический солитон в стекловолокне?
23. Как должны соотноситься длительность солитона и период следования солитонов?
24. Какие устройства должны входить в состав солитонной системы передачи?
25. Каким образом импульсы информационного сигнала преобразуются в солитоны?
26. Какие скорости передачи могут быть реализованы с помощью солитонов?
27. Что представляют собой фотонные кристаллы?
28. Где можно использовать фотонные кристаллы в составе ВОСП?
29. Какие технологии называют нанофотонными?
30. Какие нанофотонные компоненты можно применить в ВОСП?

Задача 7.1
Используя приложения 1 задания и конспект лекций для оптических интерфейсов аппаратуры SDH, определенных рекомендациями МСЭ-Т G.957 и G.691, определить по варианту (табл.7.1 и 7.2) предельную дальность передачи по двум типам волокон без промежуточных регенераторов, но с возможным использованием оптических усилителей. Также определить минимальное расстояние между оптическим передатчиком и оптическим приёмником заданного интерфейса для исключения перегрузки приёмника. Привести схему подключения передатчика и приёмника к волоконной линии.
Рассчитать уровень сигнала на приеме, мощность сигнала на входе приемника и совокупную хроматическую дисперсию при условии, что длина участка равна L, проверить, соответствуют ли полученные значения техническим нормативам.


Табл. 7.1. Интерфейсы и длина линии
Параметр
 5
Интерфейс L-16.1
L, км 29

Табл. 7.2. Характеристики линии
Параметр
 0
Строительная длина кабеля, lстр, км 2
Число разъемных соединений 2

Табл. 7.3. Оптические каналы
Параметр
 0
Число оптических каналов 
8
Скорость передачи в каждом канале, Гбит/с 
2,5
Межканальный интервал, нм 1,0

Требуемый
OSNR, дБ 16

Табл. 7.4. Оптические усилители
Параметр
 5
Число оптических усилителей, Мус 
10
Усиление оптического усилителя, as, дБ 
24
Коэффициент шума, NF, дБ 
6,3

Контрольная работа 1 30.01.2021 07.02.2021 Зачет Уважаемый ..., Контрольная работа зачтена. Гавриленко Ольга Борисовна