Техническая документация
I. Введение
В данной технической документации рассматриваются Системы распределения оптических сигналов, применяемые в системах оптической локации (Optical RADAR).
Концепция: в первую очередь предоставить опытный образец системы для оценки и тестирования, а уже после представить производственный план линейки продуктов.
Общая структурная схема Системы распределения оптических сигналов представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Система распределения оптических сигналов: Rx – волоконно- оптический приёмник, Tx – оптический передатчик
Четыре сигнала CWDM/DWDM излучаются на несущих частотах в диапазоне от 1 до 10 ГГц. Каждая переданная несущая транспонирует сигнал, используя 2 - 5% от ширины полосы. Оптические коммутаторы используются для возникновения явления избыточности, полезного для соблюдения требований концепции системы оптической локации. Оптический сигнал делится на 2
I.1. Блоки приемо-передатчиков (трансиверов)
Рассмотрим два типа архитектуры для выполнения функции оптической модуляции на приемо-передатчике. В одной используется модулятор Маха - Цендера, а в другой - лазер с прямой модуляцией. Оба этих решения имеют свои преимущества и недостатки (см. таблицу 1).
Таблица 1 – Сравнение электронно-оптических приемо-передатчиков
| Сведения | Лазер + модулятор Маха - Цендера | Лазер с прямой модуляцией |
|---|---|---|
| Преимущества |
|
|
| Недостатки |
|
|
I.2. Блоки приемников
Рассмотрим два типа архитектуры для выполнения функции оптической модуляции на приемниках. Тип архитектуры зависит от отношения «сигнал- шум», рабочих частот и критерия временного размещения сигнала.
Первая архитектура использует оптический мультиплексор для разделения по длине волны, который напрямую разносит четыре частоты по четырем независимым оптическим волокнам, четырем фотодетекторам и цепям усилителей.
Вторая архитектура вводит четыре несущих в один блок фотоприемника и обеспечивает их разделение с помощью электронных фильтров. Оба этих решения имеют свои преимущества и недостатки (см. таблицу 2).
Таблица 2 – Сравнение архитектур приемников
| Сведения | Разнесение по длине волны | Разнесение по частоте с помощью электронных фильтров |
|---|---|---|
| Преимущества |
|
|
| Недостатки |
|
|
I.3. Блоки фотоприемников
ОЭС Спецпоставка предлагает фотоприемники компактной конструкции (рис. 2), которые могут работать от постоянного тока частотой до 42 ГГц с доступом к компланарному электронному выходу или к коаксиальному выходу.
Рисунок 2 – Популярные оптические фотоприемники
Фотоприемники состоят из фотодиода и из взаимного полного сопротивления (активные или пассивные цепи), которое в основном позволяет выполнять функцию сопряжения между сопротивлением фотодиода и выходным сопротивлением 50 Ом. Фотодиоды, используемые в схеме, могут обеспечивать значение чувствительности 0.75 А/Вт.
Рисунок 3 – Обзор оптического фотоприемника
В зависимости от потребности полной полосы пропускания, для обеспечения высокого отношения «сигнал-шум» на выходе приемников, необходимо пойти на некоторые компромиссы в архитектуре оптического фотоприемника. Представим некоторые их них (Сравнение табл. 3).
Фотодиоды + внутренняя нагрузка 50 Ом:
Такая конструкция обеспечивает большее преимущество по полосе пропускания. Значение взаимного полного сопротивления составляет 25 Ом, которое представляет усиление в -6 дБ. Оно также вносит шумовой ток, значение которого можно оценить на входе фотодиода при 17 пА / (Гц) ^ (1/2).
Фотодиоды + управляемый током усилитель напряжения (TIA):
Такая конструкция обеспечивает большее значение взаимного полного сопротивления в линейном режиме. Значение взаимного полного сопротивления зависит от требований к полосе пропускания частоты несущей. Можно достигнуть значений взаимного полного сопротивления в пределах 150
Фотодиоды + схемы согласования со взаимным полным сопротивлением (TMC):
В зависимости от полосы пропускания гиперчастотного спектра полного передаваемого сигнала, объединенного из F1, F2, F3, F4 - некоторые архитектуры фотодетекторов могут быть рассмотрены для повышения отношения «сигнал-шум» на выходе приемника. Некоторые значения частоты, несущей (фиксированные или нет) и некоторые относительные значения полосы пропускания модулированных сигналов могут быть полезны для создания (или нет) решений, основанных на пассивных схемах согласования.
Такая конструкция обеспечивает более узкую полосу пропускания и наилучшее оптимальное соотношение усиления и потребляемо мощности. Значение взаимного полного сопротивления зависит от требований к полосе пропускания частоты несущей. Можно достигнуть значений взаимного полного сопротивления в пределах 75 < ZT < 150. Что обеспечивает усиление величиной 3.5 дБ < G < 10 дБ. Оно также вносит шумовой ток, значение которого можно оценить на входе фотодиода от 3 до 5 пА / (Гц) ^ (1/2).
Таблица 3 – Сравнение оптоэлектронных приемников
| Сведения | Фотодиод + нагрузка 50 Ом | Фотодиод + TIA | Фотодиод + TMC |
|---|---|---|---|
| Преимущества |
|
|
|
| Недостатки |
|
|
|
I.4. Блоки оптического мультиплексирования
В зависимости от длины волны лазера и выбора электронно-оптического приемопередатчика, могут использоваться архитектуры с мультиплексорами или с сохраняющими поляризацию каплерами. Подбор решения связан с точностью оптической фильтрации, зависящей от лазерного пучка на выбранной длине волны, и происходит после выбора оптоэлектронных блоков.
I.5. Оптический переключатель
Для реализации системы распределения оптического сигнала могут быть использованы переключатели на базе световода различной архитектуры в зависимости от заданного типа и скорости переключения, которая требуется от системы. Например, в качестве оптического затвора может использоваться механический интерферометрический переключатель или полупроводниковый оптический усилитель. В настоящем приложении механический переключатель представляется более подходящим для обеспечения большего отношения «сигнал-шум».
I.6. Блоки оптических делителей
Для обеспечения фазовой апертуры и компенсации потерь при прохождении через конструкцию каждого приемника, можно использовать каскадные делители в 3 дБ или делители мощности 1 к 4, 1 к 8. После того, как определено отношение «сигнал-шум» и используемый диапазон частот, можно обратиться к методу разнесения частот несущей.
II. Предложения по архитектуре
Остановимся на описании блоков излучения (методы разнесения частот несущей упоминаться не будут).
II.2. Техническое описание
Четырем модулированным частотам несущей назначаются четыре различных длины волны оптического диапазона. Каждая длина волны вводится в одно оптическое волокно. Затем с помощью оптического коммутатора- маршрутизатора сигнал вводится в волоконную петлю или волоконный кабель для дальнейшего распространения. Результирующий сигнал (состоящий из 4-х длин волн) делится на N (от 2 до 8), и каждый из N выходов соединяется с модулем оптического фотоприемника, обеспечивающим линейное поведение для доставки +10 дБм на выход. Кроме того, из-за колебаний температуры в окружающей среде, может понадобиться ввод дополнительной функции для автоматической регулировки коэффициента усиления в блок усилителя приёмного устройства.
Исходя из функции приемопередатчика, можно предложить два типа архитектуры. Первая основана на лазере с прямой модуляцией. Вторая - на лазере, работающем на постоянной длиной волны с оптический сигналом, модулируемым одним из внешних устройств Маха-Цендера.
II.3. Прямая лазерная модуляция передатчика
На следующих рисунках представлен лазер с прямой модуляцией с помощью несущей частоты. В зависимости от требований к отношению «сигнал-шум» оптической линии, ко входу лазерного диода может быть подключен резистор на 50 Ом с помощью согласованной цепи или цепи лазерного возбудителя. Если выбрана последняя, необходимо подготавливать такую архитектуру непосредственно с партнерами по производству лазеров.
Рисунок 4 – Система распределения оптических сигналов с лазером с прямой модуляцией
II.4. Модуляция с использованием модулятора Маха-Цендера (MZM)
На следующих рисунках представлено, как лазер используется для генерации постоянной оптической длины волны, после чего такой оптический сигнал модулируется устройством Маха-Цендера. Усилитель мощности требуется для обеспечения подведения высокого управляющего напряжения к модулятору.
Рисунок 5 – Система распределения оптических сигналов с модулятором Маха - Цендера
II.5. Выбор несущей и разнесение по длине волны
Как показано на рисунке 6, каждый блок приемника включает в состав мультиплексор оптических длин волн для обеспечения разнесения по длинам волн и, конечно же, отделения сигнала с частотой, несущей. Для обеспечения чистоты сигнала можно подключить оптический фильтр. Каждая длина волны подключается к блоку фотоприемника, специально оптимизированного под рабочую частоту.
II.6. Выбор несущей и разнесение по частоте
На рисунке 7 показано что, каждый блок приемника включает в себя широкополосный фотоприемник. Следующий компонент блока – фильтрующая электронная матрица, которая используется для разнесения различных частот сигнала. Все частоты сигнала проходят линию усиления для обеспечения оптимального отношения «сигнал-шум».
Рисунок 6 – Разделение оптических сигналов, архитектура с разнесением по длине волны
Рисунок 7 – Разделение оптических сигналов, архитектура электронного разделения
III. Вопросы
В данном разделе приведены вопросы, на которые необходимо ответить, для определения конкретной структуры Системы распределения оптического сигнала.
III-1. Разъемы:
- Какие виды оптических разъемов необходимы?
- Какие виды электрических разъемов необходимы?
III-2. Частота несущих:
- F1, F2, F3 и F4 - это фиксированные частоты? Если да, то на следующих рисунках представлено положение четырех сигналов в спектре. Какие из F1, F2, F3 и F4 низкие и высокие?
Рисунок 8 – Полная спектральная сигнатура для F1, F2, F3, F4, модуляция CWDM/DWDM
III-3. Функции управления:
- Какова максимальная частота телеметрического сигнала и его обычная форма (рабочий цикл и др.)?
III-4. Окружающая среда:
- Каков нижний предел температуры для нормальной работы системы?
- Каков верхний предел температуры для нормальной работы системы?
- Комплексное решение должно быть герметичным?
- Необходимы ли системы стабилизации вибраций в конечной архитектуре системы?
III-5. Потребление:
- Какая потребляемая мощность у функционирующего оборудования?
III-6. Соотношение "«сигнал-шум»":
- Какое отношение «сигнал-шум» требуется на выходе приемника (для того, чтобы не изменять отношение «сигнал-шум» на входе для F1, F2, F3, F4) для выходной мощности +10 дБм?
III-7. Габариты:
- Каковы доступные размеры прототипа для установки в корпус?
III-8. Доставка:
- Каковы сроки доставки?
IV. Заключение. Предложение
Построение архитектуры каждого блока системы в отдельности обеспечивает возможность для настройки/оптимизации системы в целях обеспечения требуемых характеристик для выполнения требуемых функций систем оптической локации.
Для создания Системы распределения оптического сигнала необходимы следующие компоненты: фотоприемники, усилители, лазерные возбудители, электронные интерфейсы управления. Возможна компоновка уже готовых решений: лазеров, модуляторов Маха-Цендера, оптических коммутаторов, оптических мультиплексоров, оптических фильтров, делителей сигнала и др.
