Контрольная работа, вариант 02. «Основы оптической связи, Часть 2»,

Программа дисциплины «Основы оптической связи, Часть 2»,
контрольное задание
Программа дисциплины
Введение. Общая структура оптической системы передачи
1. Основы физической и квантовой оптики
2. Физические среды оптической связи и их характеристики
3. Пассивные устройства в оптической схемотехнике
4. Модули передачи оптических сигналов
5. Модули приёма оптических сигналов
6. Оптические усилители и регенераторы оптических сигналов
7. Линейные тракты оптических систем передачи
8. Примеры построения оптических систем передачи
Приложения. Характеристики оптических интерфейсов



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?
5
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 (прочтите внимательно условие задачи!)
Определить затухание, дисперсию, полосу пропускания и
максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконнооптической 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.

Таблица 2.1 Длина оптической секции
Параметр Предпоследняя цифра номера пароля
 0
Длина оптической секции, км 45

Таблица 2.2 Характеристики волокон
Параметр Последняя цифра номера пароля
 2
Тип волокна SMF-LS
Коэффициент затухания, α, дБ/км 0,25
Длина волны, λ0, нм 1,52
Спектральная линия, Δλ0,5, нм 0,15
Коэффициент хроматической дисперсии, σХр, пс/(нм×км) 14,2
Затухание на разъёмных соединениях, lrs , дБ 0,3

SMF-LS, Single Mode Fiber-LS – одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Corning), коэффициент ПМД σпмд=0,05 пс/√км;


Определим максимальное затухание секции длиной L=45 км



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 4.2
Для модулятора Маха-Зендера рассчитать и построить передаточную (модуляционную) характеристику по варианту согласно табл. 4.5. Выбрать на построенной характеристике напряжение начального смещения с учётом амплитуды и полярности модулирующего сигнала, представленного по варианту в табл.4.6. Показать на рисунке изменение относительной величины оптической мощности при модуляции (пример на рис.4.51). По рисунку определить глубину модуляции.

Таблица 4.5 Полуволновое напряжение MZM
Предпоследняя цифра номера пароля 0         
Полуволновое напряжение Vπ, В 7         

Таблица 4.6 Модулирующий сигнал
Последняя цифра номера пароля 2       
Амплитуда, В   3       
Форма синусоид. или импульсная   
      
Полярность   ±       


Задача 5.1
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным табл. 5.1. Используя график и данные табл. 5.2 и 5.3 определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Таблица 5.1 Спектральная чувствительность прибора

Чувствительность, А/Вт 0,28 0,32 0,43 0,53 0,58 0,65 0,73 0,64 0,1
Длина волны, мкм 0,85 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,78


Таблица 5.2 Мощность излучения
Предпоследняя цифра номера пароля 0       
Мощность излучения Pи, мкВт 0,1         

Таблица 5.3 Длина рабочей волны
Последняя цифра номера пароля 2       
Длина волны, λ, мкм  1,55 



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.


Задача 5.2
Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) или трансимпенансный (ТИУ) усилитель и фотодетектор (ЛФД или p-i-n).
Исходные данные по вариантам приведены в табл. 5.4 и 5.5.

Таблица 5.4 Характеристики фотодетектора
Параметр Предпоследняя цифра номера пароля 0         
Тип ФД p-i-n         
Тип предусилителя ИУ         
Rэ, кОм 1100         
Сэ, пФ 1         
ηвн  0,35         
М  1         
Fш(М) 1         
Т 280         
Dш  2         
Кус  900         

Таблица 5.5 Характеристики линии
Параметр  Последняя цифра номера пароля 2       
Pпер, дБм 0       
L, км  45       
α, дБ/км 0,29       
      
5. Модули приёма оптических сигналов
5.1. Фотодетекторы
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-iN.
12. Указать условия применения селективных фотодетекторов.

5.2. Фотоприёмные устройства
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?

6. Оптические усилители
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.

Таблица 6.1 Накачка усилителя
Предпоследняя цифра номера пароля 0         
Pн, Вт 1,1         
А, мкм2 33         
G, дБ 12         



Таблица 6.2 Коэффициент рамановского рассеяния
Последняя цифра номера пароля   2       
g, ×10-14 м/Вт   6,3       


7. Линейные тракты оптических систем передачи
1. Назвать разновидности линейных трактов оптических систем передачи.
2. Почему ограничены возможности атмосферных оптических линий?
19
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.

Таблица 7.1 Интерфейсы
Предпоследняя цифра номера пароля 0         
Интерфейс L4.2         
Строительная длина, км 2,15         
Затухание на стыке длин, lS, дБ 0,05         
Затухание на разъёмном стыке, lC, дБ 0,8         

Таблица 7.2 Характеристики линии для двух типов волокон
Последняя цифра номера пароля 2       
1 Тип волокна    G.652       
αС, дБ/км   0,21       
Ϭхр, пс/нм×км  15,7       
2 Тип волокна   G.655       
αС, дБ/км   0,21       
Ϭхр, пс/нм×км  7,6       

Тип волокна 1 имеет коэффициент σпмд=0,01пс/√км.
Тип волокна 2 имеет коэффициент σпмд=0,05пс/√км.



Задача 7.2
Для заданного количества оптических каналов по варианту в ВОСП-DWDM и требуемого OSNR (табл.7.3) 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 (табл.7.4). Для скоростей передачи цифровых данных в формате NRZ 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с считать шум спонтанной эмиссии -58 дБ, нормированным относительно полосы 0,1 нм. Разместить указанное количество спектральных каналов в полосе C или L, или С+L в зависимости предлагаемого интервала между спектральными каналами (0,1 нм; 0,2 нм; 0,4 нм; 0,8 нм).

Таблица 7.3 Оптические каналы
Предпоследняя цифра номера пароля 0         
Число оптических каналов 8         
Скорость передачи в каждом канале, Гбит/с 2,5         
Межканальный интервал, нм 0,1
         
Требуемый
OSNR, дБ 16         

Таблица 7.4 Оптические усилители
Последняя цифра номера пароля 2       
Число оптических усилителей, Мус 7       
Усиление оптического усилителя, as, дБ 27       
Коэффициент шума, NF, дБ 7,0

Оценка: Зачет