Vybrané systémové aspekty fotoniky

Vybrané systémové aspekty fotoniky

2.1 Optický komunikační systém

2.2 Optická modulace

2.3 Optický multiplex

2.1 Optický komunikační systém

Optický komunikační systém je zařízení určené k přenosu informace pomocí optické nosné vlny. Skládá se ze tří základních částí: optického vysílače, přenosového prostředí a optického přijímače. Optický komunikační systém zahrnuje řadu speciálních členů: modulátory, demodulátory, kodéry, dekodéry, multiplexory, demultiplexory, vazební členy a pod. Fotonizace (vylučování opto/elektronických a elektro/optických převaděčů) komunikačního systému zvyšuje jeho přenosovou rychlost.

Označování zpráv, které se v komunikačním systému přenášejí, se nazývá multiplexování. (Význam WDM.)

Šumy v optickém komunikačním systému (Podrobněji viz 5. přednáška)

V procesu detekce fotonů se uplatňují následující zdroje šumů:

a) fotoelektronový šum:

- fotonový šum (je vyvolán fluktuacemi počtu fotonů v samotném dopadajícím toku fotonů; popisuje se Poissonovým statistickým rozdělením)

- fotoelektronový šum (je vyvolán náhodnou generací fotoelektronů po dopadu fotonu na aktivní plochu fotodiody; pravděpodobnost generace fotoelektronu po dopadu jednoho fotonu je daná kvantovou účinností η)

b) šum zesilovacího procesu (je vyvolán náhodným procesem zesílení lavinových fotodiod; jeden foton vyvolá náhodný počet nosičů (G); G - zisk lavinové fotodiody)

c) šum elektrického obvodu fotodiody (tepelný šum)

d) šum temného proudu, šum pozadí a proudový šum kontaktů (tzv. šum 1/f)

2.2 Optická modulace

Optická modulace spočívá v řízení hodnoty některé veličiny nosné vlny modulačním signálem. Rozlišujeme modulaci pole a intenzitní modulaci.

Optický signál (intenzita elektrického pole, mody pole):

,

kde a .

Lze položit:

- komlexní amplituda (obálka); a(,t) - reálná amplituda; j(t) - fázový člen; w - úhlová frekvence; - vlnový vektor; - jednotkový vektor vyjadřující vektorový charakter intenzity pole ; - funkce charakterizující prostorové rozložení modu.

Po dosazení

.

U lineárně polarizované vlny: . Reálná vlnová funkce se vyjádří

.

Vyjádření optické intenzity:

, .

kde c₀ je rychlost světla ve vakuu, e je permitivita vakua, n je zde index lomu prostředí a Z₀ je impedance vakua (Z₀ = 377 W). (Středuje se v čase vzhledem k vysokým frekvencím optické nosné vlny.) Platí: a .

a) Modulace pole

n ≈ 3.10¹⁴ Hz → l mm; (c₀ = l n

Světlo se vnímá jako koherentní vlna. Modulovat lze amplitudu (AM), polarizaci (PM), fázi (FáM) nebo frekvenci (FM).

Požadavky pro modulaci pole

- vysoce koherentní laser

- vnější modulátor

- jednomodová vlákna (zachovávající polarizaci)

- heterodynní/homodynní detekční systém (laser ve funkci místního oscilátoru)

- vysoce mechanicky stabilní uspořádání jednotlivých členů

Systémy využívající modulaci pole se nazývají koherentní optické komunikační systémy.

b) Intenzitní modulace (modulační signál jen jedné polarity)

f_max ≈ 10¹⁰ Hz = 10 GHz

Požadavky pro modulaci intenzity

- optickým zdrojem může být LED (světlo emitující dioda), SLD (superluminiscenční dioda) nebo méně koherentní LD (laserová dioda) s modulací budícím proudem

- vlákno může být i mnohomodové (obvykle gradientní)

- postačí přijímač s přímou detekcí

- nároky na mechanickou stabilitu zařízení jsou menší oproti koherentním systémům

Systémům se říká nekoherentní optické komunikační systémy (nebo systémy s přímou detekcí)

Modulační formát

- analogový

- pulsní (PCM - kódová pulsní modulace)

(- digitální)

Význam symbolů OOK/IM, FSK/IM, FSK/EM, FáM/EM atd.

Přenosy (IM) s pomocnou nosnou vlnou (subnosnou, SC).

Problémy překódování (transportní/linkové kódy).

2.3 Multiplex

Multiplexem se rozumí současný přenos (sloučení) více než jedné zprávy komunikační trasou a jejich opětovné oddělení na přijímací straně.

Přenos využívající multiplexu

Druhy multiplexů

- frekvenční multiplex (FDM - frequency-division multiplexing)

- časový multiplex (TDM - time-division multiplexing)

- vlnový multiplex (WDM - wavelength-division multiplexing)

Příklady

FDM (IM, SC)

WDM (s optickými filtry)

Heterodynní detekce; WDM (s elektrickými filtry)

Příklad pro WDM: Je-li požadavek pro vzájemný frekvenční odstup nosných vln 250 GHz, je pro nosnou vlnu (l = 1550 nm) požadovaný odstup ve vlnových délkách

V optickém pásmu 20 nm lze tedy vytvořit 10 optických kanálů a každý optický kanál je možno dále dělit v elektrické oblasti (FDM, TDM).

2.4 Vazební členy

Vazební členy jsou zařízení, které směrují zprávy (optické svazky) k příslušným adresátům. Vazební členy zpracovávají vstupní signál stále stejným způsobem.

Spínače a přepínače jsou vazební členy, které se řídí vnějšími příkazy.

Příklady:

Vazební člen „T“

Hvězdicový vazební člen

Směrový vazební člen

Takovýto vazební člen lze řídit a vytvářet spoje: 1 - 3 a 2 - 4 nebo 1 - 4 a 2 - 3. V takovém případě se jedná o přepínač.

Aplikace (vazební člen T)

(duplex)

Realizace

Laserová dioda (LD), fotodioda (FD) a polopropustné zrcadlo (PZ) mohou být součástí jednoho optovláknového konektoru.