16. Методы приема оптических сигналов в отсп – некогерентный (прямое детектирование), когерентный – гетеродинный, гомодинный. Структурные схемы, преимущества и недостатки.

Существует два метода приема оптического излучения: коге­рентный и некогерентный.

Когерентный метод приема осуществляется за счет использо­вания дополнительного ОКГ, называемого гетеродинным или опор­ным ОКГ. При когерентном методе используются супергетеродин­ные, балансные и другие схемы приемных устройств. Некогерентный метод основан на приеме оптических сигналов без их предвари­тельной обработки до детектора.

Рассмотрим схемы устройств приема оптических сигналов, при­меняемых в обоих методах.

Основная схема при некогерентном методе приема — схема прямого усиления. При этом сигнал усиливается до детектора или без усиления сразу подается на фотодетектор.

Для усиления луча используется оптический квантовый усили­тель (ОКУ).

При когерентном методе приема оптический сигнал подвергается дополнительной обработке до фото детектора. Когерентный метод приема отличается высокой чувствительностью и малыми шумами. При использовании этого метода облегчается задача фильтрации, по­скольку она осуществляется на микроволновых, а не на оптических частотах. В том случае, когда в схемах когерентного метода прие­ма используется местный гетеродинный ОКГ, предъявляются жест­кие требования к юстировке гетеродина и стабильности его часто­ты. Более того, при одновременной подаче на фоточувствительную поверхность двух когерентных оптических сигналов одинаковой поляризации фронты двух световых лучей должны иметь одинако­вую относительную фазу вдоль всего катода.

Блок-схема входной части супергетеродинного приемного уст­ройства показана на рисунке 1.5. Устройство состоит из собирательной линзы 1 для приема излучения лазера, местного гетеродинного ОКГ 2, полупрозрачного зеркала 3, фотодетектора 4 и радиотракта 5.

Рисунок 1.5 - Супергетеродинный приемник оптического диапазона

Приемлемое требование для степени не параллельности двух пучков света, падающих на детектор, может быть записано в виде

где — угол расхождения между двумя световыми пучками, — длина волны несущих колебаний, D — апертура собирающей оптики детектора.

Основным недостатком супергетеродинного приема является возможность приема помехи на зеркальной частоте, отличающейся от несущей на удвоенную промежуточную частоту.

Когерентный приём оптических сигналов, в частности, гетеродинный или гомодинный, позволяет перенести спектр информационного сигнала в область промежуточных (вплоть до СВЧ диапазона) и низких частот. Тем самым обеспечивается эффективная обработка и выделение сигналов, а также перенастройка в широкой области частот, занимаемой многоканальными оптическими системами передачи со спектральным уплотнением. Кроме этого, соответствующим выбором мощности гетеродина удается подавить все шумы, кроме дробового шума гетеродина. Это обстоятельство позволяет обеспечить максимальное отношение сигнал-шум на приемной стороне. 

 

Рис. 3.7 Волоконно-оптический аналог классического симметричного  интерферометра Маха-Цендера 

В практике конструирования когерентных оптических систем передачи информации, как правило, используются цифровые методы передачи. При обработке цифровых сигналов на промежуточной частоте используют хорошо разработанные в радиотехнике схемы и устройства цифровой демодуляции: синхронную и несинхронную демодуляции АМн, ЧМн и ФМн сигналов. 

Гетеродинный приём оптических сигналов 

При гетеродинном приёме оптическое электромагнитное поле полезного сигнала суммируется с оптическим полем местного гетеродина (когерентного источника излучения со сдвигом частоты) на фоточувствительной площадке фотодетектора. 

Суммарное электрическое поле определяется выражением 

 , (77) 

где  - комплексные амплитуды полезного оптического сигнала и сигнала гетеродина соответственно,  - оптические частоты, x - независимая переменная (время). 

Интенсивность регистрируемого поля равна 

 (78) 

где  - начальные фазы колебаний. Выходной сигнал фотодетектора, пропорциональный интенсивности поля (3.2), определяется в форме 

 (79) 

где  - частота "биений",  j - разность фаз. 

Таким образом, выражение (79) определяет сигнал на "промежуточной" частоте , равной разности частот оптических колебаний, причём  На рис. 3.8 показана схема устройства гетеродинного приёма. 

       

Рис. 3.8. Схема гетеродинного приема 

Гомодинный приём оптических сигналов 

При гомодинном методе приема используется принцип оптического гетеродинирования, однако в отличие от гетеродинного приемника, частоты колебаний несущей и местного гетеродина должны быть одинаковыми ( ), а фазы синхронизированы. 

 

Рис. 3.9. Схема гомонного приёмника 

Сигнал фотодетектора при этом зависит только от разности фаз колебаний, а именно 

 (80) 

При АМн фазы равны ( ) и передаче символа "1" соответствует большой уровень напряжения, передаче символа "0" - значение сигнала, равное нулю. 

При ФМн фаза сигнала  изменяется и принимает значение 0 и  рад. Соответственно изменяется разность фаз  j и значения сигнала (80). 

На рис. 3.9 иллюстрируется схема гомодинного приёма.

18. Полупроводниковые фотодиоды имеют малые размеры и массу, высокую чувствительность и быстродействие, способны работать при напряжении смещения в несколько вольт. Они почти идеальны для использования в волоконных системах.

Фотодиоды p–i–n-типа являются наиболее широко используемыми детекторами в волоконных системах. Такой диод имеет широкую i-область из собственного полупроводника между p- и n-областями, как показано на рисунке 7.5. Слой собственной проводимости не имеет свободных носителей заряда, так что его сопротивление велико. Поэтому большая часть напряжения смещения диода приложена к этой области и электрическое поле в ней имеет большую напряженность. Поскольку слой собственной проводимости весьма широк, то имеется высокая вероятность, что приходящие фотоны будут поглощены именно в нем, а не в тонких p– или n–областях. Это увеличивает квантовую эффективность и скорость отклика по сравнению с p–n-фотодиодом.