Контрольная работа по дисциплине: Основы оптической связи. Вариант 12

Содержание
1 Основы физической и квантовой оптики 2
2 Физические среды оптической связи и их характеристики 6
Задача 2 9
3 Пассивные устройства в оптической схемотехнике 12
4 Модули передачи оптических сигналов 14
4.1 Источники оптического излучения 14
Задача 4.1 16
4.2 Модуляция оптического излучения 20
Задача 4.2 23
5 Модули приёма оптических сигналов 27
5.1 Фотодетекторы 27
Задача 5.1 29
5.2 Фотоприёмные устройства 31
Задача 5.2 33
6 Оптические усилители 36
Задача 6 38
7 Линейные тракты оптических систем передачи 40
Задача 7.1 45
Задача 7.2 50
Список литературы 53


1 Основы физической и квантовой оптики
1) Почему применяют диапазона волн 0,4 - 1,8 мкм 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
1) Привести определение волоконно-оптической системы передачи.
Указать диапазон электромагнитных волн (частот) для применения в оптиче
2) Что относится к передаточным характеристикам волоконных световодов?
3) Назвать материалы для изготовления волоконных световодов.
4) В чём измеряют потери оптической мощности в стекловолокне?
5) В чём отличие характеристик волоконных световодов стандарта G.652 с различными буквенными индексами (A,B,C, D)?
6) Определить полосу частот рабочего диапазона S для SMF улучшенного типа.
7) Почему образуется дисперсия в оптическом волокне?
8) Чем отличаются конструкции и характеристики волокна SMF, NZDSF?
9) Почему возможны разные виды дисперсии в волоконных световодах?
10) Что такое ПМД?
11) Как влияет ПМД на скорости и дальности передачи в оптических линиях?
12) Почему появляются нелинейные оптические эффекты в стекловолокне?
13) Чем вызваны потери оптической энергии в атмосфере Земли?
14) 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 a (дБ/км) на длине волны излучения передатчика Л0 (мкм), ширине спектра излучения dЛ0,5(нм) на уровне половины максимальной мощности излучения. Определить мощность оптического излучения в волокне на выходе секции, если на входе подключен оптический генератор с уровнем мощности +10 дБм на заданной длине волны Л0. Составить схему измерения этой мощности оптическим тестером.

Таблица 1 - Исходные данные
Вариант: 12
Длина оптической секции, км: 80
Тип волокна: SMF-LS
Коэффициент затухания a, дБ/км: 0,25
Длина волны Л0, мкм: 1,52
Спектральная линия dЛ0,5, нм: 0,15
Коэффициент хроматической дисперсии бхр, пс/(нмxкм): 14,2
Затухание на разъёмных соединениях, lrs, дБ: 0,3


3 Пассивные устройства в оптической схемотехнике
1) На сколько отличаются по величине затухания отражения прямой и угловой физические контакты коннекторе?
2) Что соединяют оптические розетки?
3) Чем отличаются оптические аттенюаторы?
4) Какие устройства в состав оптического кросса?
5) Что разделяют оптические разветвители?
6) Что изолирует оптический изолятор?
7) Что объединяют и разделяют оптические мультиплексоры и демультиплексоры?
8) Где применяется компенсатор дисперсии?
9) Как можно изменить маршрут световой волны?
10) Определите назначение OADM.
11) Какие оптические приборы входят в состав OADM?


4 Модули передачи оптических сигналов

4.1 Источники оптического излучения
1) Назвать требования к источнику оптического излучения ВОСП.
2) Что различного в конструкции и характеристиках торцевого и поверхностного светодиодов для оптической связи?
3) Перечислить конструкции лазеров для передатчиков техники оптической связи.
4) Представить резонатор Фабри – Перо и его характеристики.
5) Устройство полупроводникового гетеролазера с резонатором Фабри – Перо.
6) Назвать способы достижения одномодового режима генерации в лазерах.
7) Как поддерживается температурный режим работы лазера?
8) Как перестроить длину волны излучения одномодового лазера?
9) Привести и сравнить диаграмму направленности излучения светодиода и лазера.
10) Какими приборами подключаются светодиоды и лазеры к волоконным световодам?

Задача 4.1
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 Δλ при длине резонатора L и показателе пре-ломления активного слоя n.
Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде λ0 при коэффициенте отражения R.
Изобразить конструкцию полоскового лазера FP и представить рисунок модового спектра.
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.

Таблица 2 - Исходные данные
Вариант: 12
Параметр лазера FP:
- Длина резонатора, L, мкм: 240
- dЛ, нм: 35
- n: 3,55
- Л0, мкм: 0,44
- R: 0,33
Параметр лазера DFB:
- Длина решетки резонатора, L, мкм: 175
- Порядок решет m: 3
- Шаг решет, d, мкм: 0,21
- Показатель преломлен, nэ: 3,51

4.2 Модуляция оптического излучения
1) Объяснить понятие оптической модуляции.
2) Объяснить принципиальное отличие прямой и внешней модуляций оптического излучения.
3) Представить схему прямой модуляции с полупроводниковыми источниками оптического излучения (СИД и ППЛ).
4) Назвать ограничения полосы информационного сигнала частот при прямой модуляции для СИД и ППЛ.
5) Причины искажения сигналов при прямой модуляции в СИД и ППЛ.
6) Сравнить модуляционные характеристики схем с ППЛ и СИД.
7) Назвать виды внешней модуляции оптического излучения, которые применяются в системах передачи.
8) Назвать отличия электрооптического внешнего модулятора от электроабсорбционного модулятора на основе эффекта Франца-Келдыша.
9) Какие виды внешней модуляции оптического излучения обеспечиваются модулятором Маха-Зендера?
10) Представить устройство модулятора Маха-Зендера и его характеристики.
11) Объяснить форматы модуляции, реализуемые с помощью MZM.
12) Назвать компоненты в составе передающего оптического модуля.
13) Назначение термодатчика и терморегулятора в состав передающего оптического модуля.

Задача 4.2
Для модулятора Маха-Зендера рассчитать и построить передаточную (модуляционную) характеристику. Выбрать на построенной характеристике напряжение начального смещения с учётом амплитуды и полярности модули-рующего сигнала, представленного по варианту в табл.3. Показать на рисунке изменение относительной величины оптической мощности при модуляции. По рисунку определить глубину модуляции.

Таблица 3 - Исходные данные
Вариант: 12
Полуволновое напряжение Vπ, В: 9
Амплитуда, В: 3
Форма синусоид. или импульсная: синусоид
Полярность: +-


5 Модули приёма оптических сигналов

5.1 Фотодетекторы
1) Перечислить требования к фотоприемникам оптических систем передачи.
2) Назвать виды фотодетекторов для оптических систем передачи.
3) Преимущества применения полупроводниковые фотодиоды в оптических системах передачи.
4) Какие характеристики имеет фотодиод конструкции p-i-n?
5) Что ограничивает диапазон оптических частот для фотодетектирования в полупроводниковых приборах?
6) Чем обусловлена длинноволновая граница чувствительности фотодиодов?
7) Что отличает конструкцию лавинного фотодиода (ЛФД) от конструкции фотодиода p-i-n?
8) Какое различие в принципе действия ЛФД и фотодиода p-i-n?
9) В каких конструкциях сокращается время включения фотодиода?
10) От чего зависит коэффициент усиления ЛФД?
11) Причины шума фотодиодов.
12) Назвать шумы фотодиодов, которые принципиально неустранимы.
13) Указать преимущество фотодиодов типа TAP и TWPD перед ЛФД и P-i-N.
14) Указать условия применения селективных фотодетекторов.

Задача 5.1
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от дли-ны волны оптического излучения. Определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Таблица 5 - Исходные данные
Вариант: 12
Мощность излучения, мкВт: 0,5
Длина волны, Л, мкм: 1,55

5.2 Фотоприёмные устройства
1) Назвать отличие прямого фотодетектирования от фотодетектирования с преобразованием.
2) Назначение функциональных блоков в схеме фотоприемного устройства (ФПУ) с прямым детектированием.
3) Виды предварительных электрических усилителей для фотоприемных устройств.
4) Назвать элементы входной цепи фотоприемного устройства с прямым детектированием.
5) Устройство входной цепи фотоприемного устройства детектирования с преобразованием. Принципиальное отличие от ФПУ прямого детектирования.
6) Соотношение между электрической и оптической полосами частот пропускания ФПУ.
7) Что определяет величину соотношения сигнал/шум на выходе ФПУ?
8) Чем выполняется противошумовая коррекция в ФПУ?
9) Назвать отличия гомодинного приемника сигнала от гетеродинного в ФПУ с преобразованием.
10) Что применяется для детектирования оптического сигнала с фазовой модуляцией?

Задача 5.2
Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) усилитель и фотодетектор (p-i-n).

Таблица 7 - Исходные данные
Вариант 12
Характеристики фотодетектора:
- Тип ФД: ЛФД
- Тип усилителя: ТИУ
- Rэ, кОм: 110
- Сэ, пФ: 2
- ηnвн: 0,45
- M: 10
- Fш(M): 4
- T: 290
- Dш: 3
- Кус : 130
Характеристики линии:
- Pпер, дБм: 0
- L, км: 45
- a, дБ/км: 0,29


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 полупроводниковые оптические усилители?
4) Как устроены и почему усиливают волоконные приборы на основе эффекта рассеяния Рамана?
5) Как устроены и действуют усилители на примесном волокне (на примере Er+)?
6) Перечислить характеристики оптических усилителей.
7) Назвать места использования оптических усилителей в составе систем передачи.
8) Виды шумов оптических усилителей и причины возникновения.
9) Назвать реальные величины коэффициентов усиления оптических усилителей (в дБ и в разах по мощности).
10) Назвать преимущества использования рамановских оптических усилителей.

Задача 6
Определить длину взаимодействия L излучения накачки в рамановском усилителе, при которой коэффициент распределенного усиления G, при соот-ветствующей мощности накачки Pн, площади модового пятна А и рамановском коэффициенте усиления материала g. Составить схему включения рамановской накачки встречно усиливаемому сигналу.

Таблица 8 - Исходные данные
Вариант: 12
Pн, Вт: 1,51
А, мкм2: 37
G, дБ: 11
g, x 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?
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) Что определяет величину 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 ин-терфейсов аппаратуры SDH, определенных рекомендациями МСЭ-Т G.957 и G.691, определить 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 9 - Исходные данные
Вариант: 12
Интерфейс: V4.2
Строительная длина кабеля, км: 2,45
Затухание на стыке длин, ls, дБ: 0,04
Затухание на разъёмном стыке, lс, дБ: 0,3
1 Тип волокна : G.652
aс, дБ/км: 0,21
бхр, пс/нмxкм: 15,7
2 Тип волокна: G.655
aс, дБ/км: 0,21
бхр, пс/нмxкм: 7,6

Задача 7.2
Для заданного количества оптических каналов по варианту в ВОСП-DWDM и требуемого OSNR каждого канала определить минимальный допу-стимый 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. 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 10 - Исходные данные
Вариант: 12
Оптические каналы:
- Число оптических каналов: 12
- Скорость передачи в каждом канале, Гбит/с: 10
- Межканальный интервал, нм: 0,2
- Требуемый OSNR, дБ: 18
Оптические усилители:
- Число оптических усилителей, Мус: 7
- Усиление оптического усилителя, as, дБ: 27
- Коэффициент шума, NF, дБ: 7,0

Список литературы

Зачет.
2024 год
Преподаватель: Гавриленко О.Б.