4. ŚWIATŁOWODOWE SYSTEMY TRANSMISYJNE

Wśród optycznych systemów transmisyjnych największe znaczenie ma system transmisji światłowodowej, w którym wykorzystuje się włókna szklane jako ośrodek propagacji fal o częstotliwościach optycznych. Z punktu widzenia zastosowań światłowodowe systemy transmisyjne można podzielić na trzy główne kategorie: transmisja cyfrowa, transmisja analogowa i transmisja danych w sieciach lokalnych. Wybór określonego rodzaju modulacji wynika z charakteru przesyłanego sygnału i zależy od właściwości propagacyjnych toru.

1. Transmisja cyfrowa

Światłowodowe systemy transmisyjne stosowane w sieciach telekomunikacyjnych, bazują głównie na impulsowej technice modulacji PCM (ang. Pulse Code Modulation). Jakość transmisji PCM opisuje się za pomocą wartości prawdopodobieństwa błędu p_e w funkcji odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem przy określonej przepływności binarnej.

gdzie: ε₀ - możliwość wystąpienia błędu przy detekcji „0”,

ε₁ -możliwość wystąpienia błędu przy detekcji „1”.

p_e - wartość prawdopodobieństwa.

Często zamiast wartości p_e podawana jest wartość elementowej stopy błędu BER (ang. Bit Error Rate). BER jest zdefiniowana jako stosunek bitów odebranych błędnie do całkowitej liczby przesłanych bitów:

( 4.1)

gdzie:

Q - funkcja prawdopodobieństwa błędu wyrażona jest zależnością:

( 4.2)

Zazwyczaj przyjmuje się że dopuszczalna wartość BER w systemie transmisyjnym PCM wynosi 10^-9. Największy wpływ na wartość BER mają szumy w systemie: szumy generatora, transmisyjne oraz dominujące szumy odbiornika. Zależność prawdopodobieństwa błędu od współczynnika S/N opisana jest równaniem:

( 4.3)

Rys. 4.1. a) Zależność p_e=f(u), b) charakterystyka BER=f(S/N).

Klasyfikacja systemów cyfrowych

Aby odbiornik mógł poprawnie odebrać nadawany sygnał cyfrowy, musi być zachowana synchronizacja odbiornika z nadajnikiem. Oznacza to, że odbiornik powinien dokonywać próbkowania w odpowiednich chwilach czasowych t₁ , t₂ , t₃ , co zostało pokazane na rysunku 4.2.

Rys. 4.2. Problem synchronizacji odbioru sygnału cyfrowego.

Ze względu na sposób synchronizacji odbiornika z nadajnikiem systemy cyfrowe można podzielić na synchroniczne i asynchroniczne.

Systemy asynchroniczne

Transmisja asynchroniczna charakteryzuje się brakiem wspólnego sygnału synchronizującego i uzyskiwaniem synchronizacji za pośrednictwem przekazywanej informacji. Dla transmisji asynchronicznej charakterystyczna jest obecność generatorów sygnału synchronizującego zarówno w nadajniku jak i odbiorniku. Generatory te są synchronizowane: za pomocą bitu "START" na początku każdego przekazywanego słowa. Transmisja asynchroniczna charakteryzuje się przypadkowymi odstępami czasu między kolejnymi przesyłanymi znakami informacji cyfrowej. W nadajnikach asynchronicznych układ sterowania dodaje bit START na początku i bit STOP na końcu każdego znaku (rys. 4.3).

Rys. 4.3. Informacja w systemie synchronicznym.

Bit START służy do synchronizacji odbiornika z nadajnikiem. Synchronizacja ta jest przeprowadzana dla każdego przesyłanego znaku. Polega ona na :

• rozpoznaniu (detekcji) bitu START

• rozpoczęciu liczenia bitów przez licznik odbiornika

Ponieważ bit START może występować w dowolnej chwili, odbiornik asynchroniczny próbkuje dane szeregowo doprowadzane do wejścia z częstotliwością znacznie większą niż prędkość szeregowego wprowadzania bitów, np. 16- lub 64-krotnie większą. Wykres czasowy ilustrujący przebieg synchronizacji i detekcji bitów słowa przy próbkowaniu 16-krotnym przedstawia rysunek 4.4.

Rys. 4.4. Detekcja bitów START i STOP w systemie asynchronicznym.

Odbiornik wykrywa bit START (przejście ze stanu „1” do „0”) w chwili próbkowania wejścia danych i rozpoczyna generacją sygnału próbkującego bity, otrzymanego z sygnału próbkującego wejście danych. Po 7,5 okresach sygnału próbkującego dane na wejściu, odbiornik ponownie próbkuje dane na wejściu w celu upewnienia się o prawidłowości odbioru bitu START.

Bity STOP służą do:

• wyzerowania licznika odbiornika,

• sygnalizacji układowi sterowania odbiornikiem końca znaku,

• doprowadzenia linii wejścia danych do stanu spoczynkowego.

Prędkość transmisji asynchronicznej najczęściej nie przekracza 144 kbitów/s.

Systemy synchroniczne

Transmisja synchroniczna stosowana jest przy większych prędkościach przesyłania danych. Przy transmisji synchronicznej bity następnego znaku pojawiają się bezpośrednio po bitach znaku poprzedniego (rys.4.5).

Rys. 4.5. Informacja w transmisji synchronicznej.

Ciąg kolejno przesyłanych znaków jest dzielony na bloki o długości od kilku do kilkunastu znaków. Długość bloku zależna jest od urządzenia, z którym współpracuje nadajnik. Kolejne znaki są zazwyczaj gromadzone w rejestrze buforowym nadajnika do chwili skompletowania bloku, który jest następnie wyprowadzony z określoną prędkością. Nadajniki i odbiorniki synchroniczne mają jeden lub dwa rejestry, do których można wprowadzić znaki synchronizujące wysyłane przez nadajnik na początku transmisji bloku. Znaki synchronizujące służą do dostrojenia generatora impulsów odbiornika do fazy przyjmowanego ciągu bitów.

1. Transmisja analogowa

W poprzednim rozdziale przedstawione zostały zasady przepływu informacji cyfrowej (informacji analogowej kodowanej techniką PCM) torem transmisyjnym. Zastosowanie analogowej transmisji znacznie obniża koszty budowy oraz eliminuje szumy kwantyzacji występujące w transmisji cyfrowej. Wykorzystywana jest w systemach telewizji kablowej oraz lokalnych sieciach telefonicznych i komputerowych, będących elementami rozległych sieci telekomunikacyjnych. Transmisja analogowa stawia jednak wyższe wymagania: wyższy stosunek sygnału do szumu (S/N), wyższa moc optyczna na wejściu odbiornika oraz wysoka liniowość zmniejszająca zniekształcenia i chroniąca przed przesłuchami miedzy różnymi kanałami multipleksowanych sygnałów.

SNR dla światłowodowego systemu transmisji analogowej wyraża się wzorem:

( 4.4)

gdzie:

hn - energia fotonu,

h - sprawność kwantowa fotoodbiornika,

B - efektywna szerokość pasma szumu przypadającego na kanał,

P₀ - średnia moc optyczna na wejściu odbiornika opisana równaniem:

( 4.5)

P_i - średnia moc na wejściu toru,

a_N - tłumienie sygnału pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem, wyrażone w neperach: a_N = ln(P_o/P_i).

Sygnał analogowy może być transmitowany torem światłowodowym przy wykorzystaniu modulacji bezpośredniej D-IM (ang. Direct Intensity Modulation) albo jednej z technik modulacji pośredniej: AM-IM, FM-IM, PM-IM, PFM-IM, PWM-IM lub PPM-IM.

1. Modulacja bezpośrednia D-IM

Najprostszą metodą transmisji sygnału analogowego jest modulacja bezpośrednia intensywności mocy optycznej D-IM (Direct Intensity Modulation) przedstawiona na rys.4.6.

Rys. 4.6. Modulacja bezpośrednia fali optycznej D-IM.

Średnia moc optyczna jest sumą średniej mocy fali nośnej P(t) oraz mocy sygnału modulującego m(t), proporcjonalnego do informacji a(t), co można zapisać:

( 4.6)

W przypadku kosinusoidalnego sygnału modulującego:

( 4.7)

gdzie: w_n - pulsacja sygnału modulującego,

m_a - współczynnik modulacji, zdefiniowany następująco:

Prąd fotoelektryczny I(t) generowany w fotodiodzie APD o współczynniku powielania M jest dany równaniem:

( 4.8)

gdzie prąd I_p przy niemodulowanej fali nośnej wynosi:

( 4.9)

h - sprawność kwantowa fotodiody,

q_e - ładunek elektronu (q_e=1,6⋅10^-19 C).

Stosunek sygnału do szumu (S/N) definiowany jako iloraz kwadratów wartości chwilowych prądów sygnału i szumu wynosi:

a) dla odbiornika z fotodiodą APD

( 4.10)

b) dla odbiornika z fotodiodą PIN

( 4.11)

gdzie: F(M) jest współczynnikiem dodatkowego szumu powielania danym wzorem:

( 4.12)

k - współczynnik jonizacji dziur lub elektronów:

k = 0,02÷ 0,1 - dla krzemu,

k = 0,3÷1,0 - dla germanu,

I_d - prąd ciemny detektora,

R_L - rezystancja obciążenia detektora,

F_n - współczynnik szumów odbiornika,

T_PD - temperatura pracy detektora.

W przypadku bardziej ogólnym, S/N możemy wyrazić z wykorzystaniem mocy sygnału modulującego P_m, definiowanej jako:

( 4.13)

S_m - widmowa gęstość mocy,

B_m - szerokość pasma w hercach.

Wartości kwadratów prądów sygnału i szumu wynoszą odpowiednio:

( 4.14)

( 4.15)

Zatem ogólne wyrażenie na SNR dla techniki D-IM wygląda następująco:

( 4.16)

gdzie:

P₀ - całkowita moc optyczna na wejściu odbiornika,

P_m - całkowita moc sygnału modulującego,

B_m - pasmo zajmowane przez jedną wstęgę,

N₀ - moc szumu

( 4.17)

1. Modulacja pośrednia AM-IM

W tradycyjnych systemach modulacji amplitudowej nośnikiem informacji jest fala, której częstotliwość jest dużo większa niż częstotliwość sygnału. Fala zmodulowana ma widmo szersze niż pasmo sygnału. Przy modulacji amplitudy przesuwa się i rozszerza całkowite pasmo widmowe. W transmisji optycznej AM są stosowane różne częstotliwości fal nośnych tak, że do ich odbioru i demodulacji należy używać filtrów odpowiednio dostrojonych.

Modulacja amplitudowa pojedynczym sygnałem sinusoidalnym opisana jest równaniem:

( 4.18)

gdzie: w_sc oznacza częstotliwość fali nośnej.

Jeżeli do tego równania dodamy składową stałą I₀ i takim sygnałem wypadkowym zmodulujemy wiązkę światła, to otrzymamy modulację intensywności światła IM sygnałem już uprzednio zmodulowanym amplitudowo. Jest to tzw. modulacja pośrednia, której sygnał informacji moduluje amplitudowo częstotliwość podnośną, a następnie tak zmodulowany przebieg moduluje falę światła (jej moc) zgodnie z zależnością:

Prąd na wyjściu detektora ma przebieg taki sam jak opisany zależnością (4.6). Odpowiedni układ w odbiorniku dokonuje jego demodulacji do postaci sygnału informacji przesyłanej łączem. Sygnał zmodulowany amplitudowo (DSB) zajmuje pasmo B_m = 2B_a i przy jednostkowej amplitudzie podnośnej P_m = P_a/2. Stąd stosunek sygnał - szum wyrażony w wartościach skutecznych mocy dany jest wzorem:

( 4.19)

Idealny demodulator AM posiada zysk detekcji 2 do 3dB. Daje to wyrażenie S/N na wyjściu w postaci:

( 4.20)

Porównanie tego wyniku ze wzorem dla modulacji bezpośredniej pokazuje, że stosunek sygnał-szum w modulacji AM-IM jest o 3dB gorszy, przy zachowaniu tych samych warunków szerokości pasma (B_m = B_a), mocy sygnału modulującego (P_m=P_a), prądu fotodetektora oraz szumu. Z tego powodu systemy modulacji AM-IM generalnie nie są brane pod uwagę przy projektowaniu systemów transmisji światłowodowej.

1. Modulacja pośrednia FM-IM oraz PM-IM

O wiele bardziej interesującą jest modulacja FM-IM dla której S/N wyraża się następującą zależnością:

( 4.21)

gdzie:

A_c - amplituda fali nośnej,

B_a - szerokość pasma sygnału modulującego,

D_f - współczynnik dewiacji częstotliwości dla modulacji FM-IM zdefiniowany jako:

gdzie: f_d - częstotliwość dewiacji (szczytowa).

Dla systemów PM-IM:

( 4.22)

( 4.23)

D_p - współczynnik dewiacji dla PM-IM wyrażony jest wzorem:

( 4.24)

Przedstawione zależności pokazują znaczną poprawę stosunku sygnału do szumu przy modulacji pośredniej FM-IM i PM-IM. Porównanie tych metod wykazuje nieco wyższy (około 5dB) SNR dla modulacji FM-IM, co nie wyklucza stosowania modulacji PM-IM ze względu na inne zalety tej metody.

1. Pośrednie modulacje impulsowe

Natężenie światła można również modulować sygnałem impulsowym. Podstawowe metody modulacji impulsowej to: modulacja częstotliwości powtarzania impulsów PFM, modulacja szerokości impulsów PWM, oraz modulacja położenia impulsów PPM. Jeśli zastosujemy je do modulacji prądu sterującego natężeniem źródła mocy optycznej to otrzymujemy odpowiednio PFM-IM, PWM-IM oraz PPM-IM. Największą wartość stosunku S/N uzyskiwana jest w technice PFM-IM z regeneracją impulsów:

( 4.25)

gdzie: T₀ - minimalny okres impulsu,

P_p0 - szczytowa moc optyczna (odbierana),

T_R - czas narastania impulsu w obwodzie regeneratora,

B - efektywne pasmo szumów.

Realizacja układu transmisji analogowej z modulacją PFM-IM i regeneracją impulsów przedstawiona została na rys.4.7. Wzmacniacz o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce częstotliwościowej odtwarza impulsy wzmocnione i o skorygowanym kształcie, które są podporządkowane odpowiadającym im przedziałom czasowym. Każdy przedział czasowy badany jest przez regenerator i jeżeli napotka na sygnał o amplitudzie większej niż połowa wartości szczytowej impulsu, wytwarza nowy, o prawidłowym kształcie, impuls wyjściowy.

Rys. 4.7. Schemat układu transmisji analogowej z modulacją PFM-IM i regeneracją impulsów.

1. Transmisja koherentna

Pomimo szybkich postępów techniki światłowodowej w ciągu ostatniego dwudziestolecia obecnie wykorzystywane systemy światłowodowe są ciągle jeszcze w pewnym sensie tak prymitywne, jak systemy telekomunikacyjne oparte na przesyłaniu sygnałów elektrycznych w początkowym stadium ich rozwoju, gdyż żaden z tych systemów nie wykorzystuje informacji o fazie fali nośnej. Bezpośrednia modulacja źródła (kluczowanie amplitudy - czyli przerywanie fali nośnej) i detekcja bezpośrednia w odbiorniku, z wykorzystaniem fotodiod PIN lub fotodiod lawinowych APD, stanowią ostoję systemów światłowodowych od samego zarania ich istnienia; innymi słowy są to wszystko systemy niekoherentne.

Układy modulacji/demodulacji wykorzystywane w obecnych systemach telekomunikacji światłowodowej są to układy z modulacją natężenia strumienia świetlnego i z bezpośrednią detekcją sygnału optycznego (IM/DD - Intensity Modulation/Direct Detection). W systemie IM natężenie strumienia świetlnego jest modulowane liniowo w takt wejściowego sygnału elektrycznego. Termin DD wynika z faktu, sygnał świetlny poddawany jest detekcji i przemianie na sygnał elektryczny bezpośrednio w stopniu wejściowym odbiornika optycznego.

Stało się jasne, że detekcja koherentna zapewnia wiele istotnych korzyści w porównaniu z konwencjonalną metodą bezpośredniej modulacji natężenia strumienia świetlnego i detekcji bezpośredniej (IM/DD); znacznie lepsza selektywność częstotliwości, wygodnie dostrajane odbiorniki optyczne, możliwość stosowania innych rodzajów modulacji (takich jak FSK i PSK).

Terminu optyczne systemy koherentne użyto tutaj, aby nawiązać do nieliniowego mieszania dwóch fal optycznych. W literaturze radiokomunikacyjnej termin „koherentny” wykorzystywany jest w odniesieniu do techniki detekcji, w której wartość bezwzględna fazy sygnału przychodzącego śledzona jest przez odbiornik. Wiele technik, które określane są jako „koherentne” w transmisji optycznej, takie na przykład, jak detekcja obwiedni przy modulacji ASK, w literaturze radiokomunikacyjnej zaliczane są wyraźnie do technik „nie koherentnych”.

1. Zasady działania

W transmisji koherentnej, do zmodulowania i zdemodulowania sygnału informacyjnego w sposób efektywny wykorzystywane są amplituda, częstotliwość lub faza koherentnej optycznej fali nośnej. Działa on inaczej niż konwencjonalne systemy transmisyjne z modulacją natężenia światła i z detekcją bezpośrednią (IM/DD), sygnał optyczny o zmodulowanej amplitudzie przekształcany jest bezpośrednio na elektryczny sygnał wyjściowy o zdemodulowanej amplitudzie. Transmisja koherentna umożliwia zwiększenie pojemności informacyjnej toru i zwiększenie długości odcinków międzyregeneratorowych.

W systemie tym najpierw dodaje się do sygnału niosącego informację falę optyczną generowaną lokalnie a następnie ten złożony przebieg poddaje się detekcji. W wyniku tego procesu powstaje modulacja prądu fotodetektora o częstotliwości równej różnicy częstotliwości pomiędzy sygnałem niosącym informację A_Scosω₁t i sygnałem oscylatora lokalnego A_LOcosω₂t

( 4.26)

Nowy sygnał nazywany jest sygnałem pośredniej częstotliwości (IF), Potraktowanie optycznej detekcji heterodynowej opartej na zasadach mechaniki kwantowej dla hn >> kT wykaże, że nie tak jak w przypadku detekcji heterodynowej sygnałów radiowych, prąd detektora, czyli w tym przypadku szybkość przepływu fotonów, nie zawiera składowych o podwójnej częstotliwości i sum składowych częstotliwości. Ten sygnał zawiera informację w postaci modulacji amplitudy, częstotliwości lub fazy, która występuje w oryginalnym sygnale optycznym, jednak jego częstotliwość nośna jest dostatecznie mała (rzędu pojedynczych GHz), aby do dalszej obróbki sygnału można było zastosować konwencjonalne układy elektroniczne jak to pokazano na rys.4.8.

Rys. 4.8. Schemat blokowy układu transmisji koherentnej.

Metoda ta pozwala na znaczne zwiększenie czułości odbiornika. W zakresie fal świetlnych o długości 1,3 do 1,6 mm na przykład, idealny odbiornik koherentny dla uzyskania elementowej stopy błędu 10^-9, wymaga energii sygnału wejściowego rzędu zaledwie 10 do 20 fotonów na bit, a więc energię znacznie mniejszą niż około 1000 fotonów na bit wymaganych przez obecne fotodiody lawinowe APD. Nawet jeśli wzmacniacze optyczne na światłowodach domieszkowanych mogą zapewnić kompensację tłumienia linii, duża czułość właściwa nadal ma wielkie zalety, jeśli chodzi o transmisję dalekosiężną.

Z punktu widzenia koncepcji, najprostszym, chociaż niekoniecznie najpraktyczniejszym systemem odbioru koherentnego byłby odbiornik homodynowy. Aby układ detekcji homodynowej mógł działać, lokalny laser półprzewodnikowy musi śledzić fazę przychodzącego sygnału nośnego. System homodynowy dopasowuje częstotliwość oscylatora lokalnego do częstotliwości przychodzącego optycznego sygnału nośnego, wydzielając zeń bezpośrednio sygnał modulujący. Taki system wymaga tylko umiarkowanej szerokości pasma elektronicznego układu odbiorczego, ale stawia on wysokie wymagania oscylatorowi lokalnemu. Homodyna z założenia stanowi system detekcji koherentnej o większej czułości, detekcja heterodynowa, która celowo wprowadza różnicę pomiędzy częstotliwością sygnału przychodzącego a częstotliwością oscylatora lokalnego, jest jednak łatwiejsza do zastosowania przy mniejszych przepływnościach i bardziej prawdopodobne jest wykorzystanie tej ostatniej w systemach, które będą wprowadzone do eksploatacji w skali przemysłowej.

Rys. 4.9. Odbiornik homodynowy.

Na rysunku 4.9 przedstawiono zasadę działania odbiornika homodynowego, w którym oscylator lokalny śledzi fazę przychodzącego optycznego sygnału nośnego. Sygnał optyczny zmieszano najpierw ze znacznie silniejszym przebiegiem generowanym przez oscylator lokalny, posiadającym tę samą polaryzację, dzięki wykorzystaniu częściowo odbijającej płytki lub światłowodowego sprzęgacza kierunkowego. Zwykle moc sygnału jest cenniejsza niż moc oscylatora lokalnego, tak że rozgałęźnik wiązki wykonywany bywa jako prawie całkowicie przezroczysty i w konsekwencji odbija światło tylko bardzo słabo. Sygnał powstający w wyniku kombinacji sygnału przychodzącego i przebiegu oscylatora lokalnego oświetla fotodetektor, pracujący jako mieszacz, którego średni prąd wyjściowy jest proporcjonalny do całkowitej mocy optycznej uśrednionej w czasie wielu okresów sygnału optycznego (P_opt). Dla mieszacza na diodzie p-i-n:

( 4.27)

gdzie: R - średnia szybkość generacji fotoelektronów, h - sprawność kwantowa detektora, hn - energia fotonu. E_L i E_S, są proporcjonalne do obwiedni padających na fotodiodę przebiegu optycznego generowanego przez oscylator lokalny i odbieranego sygnału optycznego. Jeżeli zdefiniowane są one w znormalizowanych jednostkach, ma zastosowanie prosta zależność (4.27). Sygnał wyjściowy fotodetektora scałkowano w okresie bitu danych T i wynik porównano z wartością progową, aby określić czy przekazano wartość binarną „0” czy „1”. Czułość odbiornika homodynowego dla systemu modulacji OOK (On Off Keying), czyli kluczowania z przerywaniem sygnału, określona jest prawidłowym odbiorem sygnału, w którym binarna wartość „l” przekazywana jest jako impuls optyczny (E_S, > 0), binarna zaś wartość „0” reprezentowana jest przez brak energii optycznej (E_S = 0). Oczekiwana liczba zliczeń na wyjściu integratora dla stanów sygnału „0” i „1” wyniesie:

(4.28)

gdzie przybliżona równość zachodzi przy założeniu, że E_L>> E_S.

W wyniku odebrania (detekcji) pojedynczego bitu, na wyjściu integratora nie otrzymamy dokładnie lub gdyż fotoelektrony generowane są w przypadkowych odstępach. Ta przypadkowość jest przyczyną powstawania szumu śrutowego, który występuje zawsze, gdy prąd płynie przez diodę. Sygnały wyjściowe z integratora będą więc rozproszone wokół i , zgodnie z prawami statystyki Poissona, jak to pokazano na histogramie z rysunku 4.9. Prawdopodobieństwo błędu (BER) odbiornika jest związane z częścią każdego z rozkładów po „złej stronie” wartości progowej. Im bardziej rozdzielone będą krzywe rozkładu, tym mniejsza będzie stopa błędu. Przyjmując założenie zastosowania w układzie oscylatora lokalnego dużej mocy (), rozkłady są w przybliżeniu gaussowskie z odstępem międzyszczytowym wynoszącym:

(4.29a)

oraz szerokości:

(4.29b)

Tak więc zestawione w postaci tabeli wartości funkcji błędu mogą być wykorzystane do obliczenia stopy błędu. Aby uzyskać elementową stopę błędu BER = 10^-9, wymagana jest wartość, N/s ≈ 12, tak więc z (4.29a) i (4.29b) znajdziemy

(4.30)

Jak wynika z zależności (4.27) E_T jest to oczekiwana liczba fotoelektronów przypadająca na jeden bit transmitowanego sygnału, gdy mieszacz wykorzystywany jest jako prosty detektor bezpośredni (to znaczy E_L = 0). To znaczy też, że aby uzyskać BER = 10^-9 za pomocą homodyny z modulacją OOK, średnia energia każdego impulsu optycznego musi być wystarczająca do wytworzenia 36 fotoelektronów przy detekcji bezpośredniej. Możemy przyjąć ten wynik jako dalszy krok, zauważyć, że dla diod PIN wykonanych z InGaAsP z warstwą przeciwodblaskową sprawność kwantowa zbliża się do jedności tak, że BER = 10^-9 odpowiada średniej wartości odebranej energii optycznej 36 fotonów na impuls. Dla przypadku gdy sygnały „1” i „0” są jednakowo prawdopodobne, strumień danych z modulacją OOK zajmuje tylko połowę czasu. Tak więc wymagana liczba fotonów przypadających na bit informacji wynosi połowę liczby fotonów przypadających na impuls (czyli w rozważanym przypadku 18 fotonów).

Jeśli zastosujemy modulację z kluczowaniem przesunięcia fazy (PSK) zamiast modulacji z przerywaniem przebiegu nośnego (OOK) można uzyskać jeszcze większą czułość odbiornika. W tym przypadku informacja nakładana jest na fazę przesyłanej (optycznej) fali nośnej i dwa stany odbieranej fali odpowiadają E_Scosωt i E_Scos(ωt+p). Stosując rozumowanie podobne jak w przypadku modulacji OOK otrzymamy:

(4.31a)

oraz

(4.31b)

Warunek ΔN/σ = 12 prowadzi do równania:

(4.32)

Tak więc, dla detekcji homodynowej PSK z idealną fotodiodą (h = 1), dla uzyskania BER = 10^-9, wymagana jest średnia energia sygnału 9 fotonów na bit (dla PSK nośny sygnał optyczny występuje stale, także nie musimy wprowadzać rozróżnienia pomiędzy fotonami na impuls i fotonami na bit, tak jak to czyniliśmy w przypadku modulacji OOK). Zwiększona czułość przy modulacji PSK w porównaniu z modulacją OOK wynika z faktu, że dla danego natężenia pola E_S wartość DN przy PSK jest dwukrotnie większa niż przy OOK. Modulacja PSK z detekcją homodynową zapewnia najlepszą czułość, jaką można osiągnąć za pomocą prostego koherentnego odbiornika homodynowego o strukturze, jak na rys.4.9. Odległości transmisyjne przy przepływności 1Gbit/s są około 50% większe niż osiągane dla konwencjonalnej modulacji intensywności i detekcji za pomocą diody APD.

Odbiorniki homodynowe, chociaż odznaczają się największą czułością, są jednocześnie najtrudniejsze do skonstruowania, ponieważ oscylator lokalny musi być sterowany przez optyczną pętlę fazową. Odbiornik heterodynowy, w którym częstotliwość oscylatora lokalnego jest w sposób zamierzony przesunięta w stosunku do częstotliwości sygnału niosącego informację, jest znacznie łatwiejszy do zbudowania i zastosowania w praktyce. W tym przypadku użyteczna czułość sygnału na wyjściu mieszacza pojawia się na częstotliwości zwanej częstotliwością pośrednią (IF - Intermediate Frequency), która stanowi różnicę pomiędzy częstotliwością przychodzącego sygnału optycznego niosącego informację, a częstotliwością oscylatora lokalnego. dana informacja uzyskiwana jest z sygnału pośredniej częstotliwości za pomocą standardowych metod demodulacji sygnałów radiowych. Ceną, jaką się płaci za eliminację optycznej pętli fazowej w odbiorniku heterodynowym jest zmniejszenie czułości o 3dB w porównaniu z odbiornikiem homodynowym. Pogorszenie czułości prowadzi do stwierdzenia, że w odbiorniku heterodynowym faza sygnału niosącego informację i faza przebiegu generowanego w oscylatorze lokalnym ulegają ciągłym wzajemnym przesunięciom. Sygnał na wyjściu mieszacza (rys.4..9) jest najsilniejszy (czułość odbiornika jest największa), kiedy sygnał niosący informację i przebieg generowany w oscylatorze lokalnym są w fazie lub w przeciwfazie. Gdy przesunięte są one o 90°, czułość mieszacza jest praktycznie równa zeru.

Wartość średnia sygnału pośredniej częstotliwości, który niesie żądaną informację odpowiada pewnej wartości przeciętnej pomiędzy tymi „dobrymi” i „złymi” warunkami odbioru. W odbiorniku homodynowym, sygnał jest zawsze zestrojony z oscylatorem lokalnym, tak że sygnał na wyjściu mieszacza osiąga wartość maksymalną. Ponieważ odbiornik wykorzystuje w pełni sygnał przychodzący, nie jest zaskakujący fakt, że czułość jest większa. Ściślej mówiąc, dla danego poziomu sygnału i dla danej mocy oscylatora lokalnego, moc sygnału uzyskiwana na wyjściu mieszacz w odbiorniku heterodynowym jest równa połowie mocy uzyskiwanej na wyjściu odbiornika homodynowego. Ponieważ moc szumu śrutowego dla obu rodzajów odbiorników jest taka sama (gdyż moce oscylatorów lokalnych są takie same), czułość odbiornika heterodynowego jest o 3dB gorsza.

W koherentnym odbiorniku homodynowym z modulacją OOK, uzyskanie stopy błędu 10^-9, wymaga zapewnienia 18 fotonów na bit informacji. Zastosowanie modulacji PSK zamiast modulacji OOK pozwala na uzyskanie jeszcze większej czułości w odbiorniku homodynowym. Ze względu na to, że modulacja dotyczy fazy transmitowanej fali a nie jej amplitudy, nadajnik nigdy nie jest wyłączany i efektywna czułość odbiornika ulega podwojeniu. Modulacja z przesuwem fazy wymaga więc tylko 9 fotonów na bit, aby uzyskać maksymalną stopę błędu BER = 10^-9. Trudność polega na tym, że w odbiorniku homodynowym oscylator lokalny musi pozostawać w fazie z przychodzącą falą nośną.

Koherentne odbiorniki heterodynowe, o częstotliwości oscylatora lokalnego przesuniętej w stosunku do częstotliwości fali nośnej są łatwiejsze do zbudowania. Użyteczna część zmieszanych fal ma częstotliwość równą częstotliwości pośredniej. Żądana informacja uzyskiwana jest z sygnału pośredniej częstotliwości za pomocą standardowych metod demodulacji sygnałów radiowych.

1. Zalety transmisji koherentnej

Należy tu jeszcze dodać pewną uwagę dotyczącą związków pomiędzy układami detekcji heterodynowej i koherentnej. Detekcja heterodynowa jest istotną przesłanką dla transmisji koherentnej. Jednak modulacja koherentna nigdy nie jest przesłanką dla detekcji heterodynowej, sygnał z modulacją intensywności może być także poddany detekcji w układzie heterodyny.

Systemy koherentnej transmisji światłowodowej mają wiele korzystniejszych właściwości w porównaniu z konwencjonalnymi systemami IM/DD. Graniczny poziom sygnału odbieranego w tych systemach będzie ograniczony jedynie poziomem szumu śrutowego w sygnale (jeśli tylko oscylator lokalny w odbiorniku będzie miał wystarczającą moc). Poziomy sygnału wymagane do osiągnięcia zadanej stopy błędu ulegną znacznemu zmniejszeniu, dzięki zastosowaniu koherentnych optycznych systemów transmisyjnych zamiast systemów IM/DD. W systemach z optyczną detekcją heterodynową następuje przemiana częstotliwości z około 200THz w obszarze częstotliwości optycznych do kilku GHz w obszarze częstotliwości radiowych. Zaawansowane techniki przetwarzania sygnału takie jak modulacja i demodulacja sygnału FSK czy tez PSK, zwielokrotnienie (multipleksacja i demultipleksacja) z podziałem częstotliwościowym oraz stabilizacja częstotliwości oscylatora lokalnego już wprowadzono i stosuje się je w układach mikrofalowych i w układach na fale milimetrowej. Układy optycznej detekcji heterodynowej i homodynowej są wrażliwe na niedopasowanie na wejściu fali optycznej oraz na różnice stanów częstotliwości, fazy i polaryzacji pomiędzy sygnałem niosącym informację, a przebiegiem generowanym przez oscylator lokalny. Zdolność selekcji modów jest korzystna, dla wyeliminowania szumu tła i otwiera ona również możliwości realizacji systemów zwielokrotnienia przestrzennego z podziałem modowym, chociaż bardzo ostre warunki narzuca się na dopasowanie przestrzenne i na stałość częstotliwości.

Największą zaletą systemu koherentno-heterodynowego jest poprawienie równoważnej czułości odbiornika, a ściślej mówiąc zmniejszenie minimalnego wymaganego poziomu dla uzyskania założonej elementowej stopy błędu, na przykład BER = 10^-9. Tę poprawę można przypisać dwóm zjawiskom: jednym z nich jest poprawa stosunku sygnału do szumów (S/N) na wyjściu przedwzmacniacza odbiornika, dzięki zastosowaniu układu heterodynowego, drugim - poprawa wniesiona poprzez zastosowanie układu koherentnej modulacji/demodulacji.

Dokonamy najpierw porównania rozmaitych układów detekcyjnych mających na celu uzyskanie dużego stosunku sygnału do szumu S/N. W detekcji optycznej, to znaczy przy optoelektronicznym przetwarzaniu sygnału, istnieje absolutne ograniczenie wartości S/N spowodowane faktem, że światło nie jest ciągłe, ale składa się z fotonów, które wytwarzają strumień dyskretnych elektronów na elektrycznych zaciskach fotodetektora. Dlatego idealna fotodetekcja nie jest detekcją wolną od szumów, ale detekcją ograniczoną szumem kwantowym, jak to przedstawia zależność

(4.33)

gdzie: P_s - moc sygnału odbieranego, h - stała Plancka (h = 1,38 x 10^-34Js), ν  -częstotliwość sygnału optycznego, Df - szerokość pasma odbiornika.

Głównym źródłem szumów przy detekcji koherentnej jest więc szum kwantowy transmitowanego sygnału świetlnego. Jest to sytuacja diametralnie rożna w stosunku do sytuacji kiedy szum powielania diody lawinowej APD i szum termiczny rezystora obciążenia, mają dominujący wpływ na czułość odbiornika w układzie konwencjonalnej detekcji bezpośredniej. W celu uzyskania elementowej stopy błędu BER = 10^-9 dla binarnych sygnałów z modulacją OOK odbiornik z fotodiodą lawinową APD (pracujący w zakresie fal dłuższych) wymaga około 700 fotonów/bit. Detekcja koherentna może wymagać mniejszej liczby fotonów niż detekcja bezpośrednia. Wymagany poziom sygnału odbieranego wynosi na przykład 18 fotonów na bit dla binarnej detekcji homodynowej FSK i około 1,4 fotonów na bit dla kodowanego sygnału 32-poziomowej FSK i detekcji koherentnej. W teoretycznym przypadku rozważania pojemności optycznego kanału transmisyjnego, energia odbieranego sygnału obliczona metodami mechaniki kwantowej wynosi około 0,02 fotonów na bit.

Drugą zaletą systemu heterodynowego (lub homodynowego), oprócz poprawienia czułości jest możliwość uzyskania dużej selektywności częstotliwości, która jest równa selektywności częstotliwości wzmacniacza pośredniej częstotliwości. Tak więc gęstość kanałowa systemu (liczba kanałów na jednostkę szerokości pasma) może być zwiększona 1000-krotnie w porównaniu z selektywnością uzyskiwaną przy detekcji bezpośredniej. Zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości (FDM) o małym odstępie międzykanałowym staje się więc możliwe.

Przy transmisji koherentnej możliwe jest zwiększenie szerokości pasma modulacji. Szybkość modulacji, przy bezpośredniej modulacji intensywności światła w laserach półprzewodnikowych ograniczona jest częstotliwości rezonansowej, powyżej której sprawność modulacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu częstotliwości modulacji. Bezpośrednia modulacja częstotliwości laserów półprzewodnikowych łagodzi ograniczenia spowodowane przez właściwości rezonansowe. Dzieje się tak dlatego, że przesuw częstotliwości odniesiony do jednostki prądu modulacji, czyli sprawność modulacji FM, jest odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości modulacji a nie do kwadratu tej częstotliwości, jeśli jest ona wyższa od częstotliwości rezonansowej. W elektrooptycznych modulatorach falowodowych również uzyskuje się modulację fazy, której szerokość pasma jest większa od wartości granicznej narzuconej, jaka występuje przy modulacji intensywności światła.

Następną zaletą transmisji koherentnej jest złagodzenie ograniczeń szerokości pasma w światłowodach. Dyspersja częstotliwości we włóknach jednomodowych narzuca jeden z ważnych czynników ograniczających szerokość pasma w systemach transmisyjnych, gdyż sygnałowi optycznemu generowanemu za pomoc modulacji intensywności lasera półprzewodnikowego towarzyszy niezamierzone rozproszenie widma, spowodowane zjawiskiem modulacji fali nośnej. W systemach koherentnych, jednak to ograniczenie jest złagodzone, gdyż widmo ograniczone w wyniku przetwarzania sygnału otrzymywane jest w wyniku modulacji fali nośnej o pojedynczej częstotliwości.

Układy koherentnej modulacji-demodulacji oferują możliwość osiągnięcia blisko 20-decybelowej poprawy czułości odbiornika w stosunku do konwencjonalnych układów z modulacją intensywności światła i detekcją bezpośrednią. Przy szerokości pasma przesyłanej informacji rzędu 1GHz, transmisja koherentna dopuszcza teoretycznie całkowite tłumienie transmisji rzędu 90dB, co odpowiada długości światłowodu powyżej 400km. Dalekosiężne systemy naziemne lub podmorskie stanowi obiecujące zastosowania koherentne optycznej transmisji światłowodowej. Układy koherentnej modulacji-demodulacji mogą być stosowane w systemach abonenckich, zwłaszcza w sieciach rozdzielczych, gdzie wiele terminali otrzymuje sygnały jednocześnie. Jest to możliwe dzięki temu, że duże wzmocnienie sygnału uzyskiwane za pomocą techniki koherentnej może skompensować straty w układach rozgałęźnych, które stanowi dominujący składnik tłumieniowy w pasywnych systemach rozdzielczych.

1. Technika modulacji i demodulacji

Metody modulacji wykorzystywane do nakładania informacji na falę nośną mają wielki wpływ na czułość systemu. Kluczowanie z przesuwem częstotliwości (FSK), kluczowanie z przerywaniem sygnału (OOK), kluczowanie z przesuwem fazy (PSK) i inne metody kodowania, wszystkie mają swoich zwolenników. Tak jak w przypadku detekcji heterodynowej lub homodynowej, różne metody modulacji dają możliwość wyboru pomiędzy właściwościami systemu i łatwością wprowadzenia go do eksploatacji. FSK na przykład jest systemem prostym i tolerującym większą szerokość linii widmowych lasera. Pod uwagę należy jednak wziąć także inne aspekty - PSK pozwala na uzyskanie potencjalnie większych przepływności, a obie metody PSK i ASK pozwalają na uzyskanie większej czułości efektywnej. Procesy demodulacji sygnału pośredniej częstotliwości realizowane za pomocą układu optycznej detekcji heterodynowej są to w zasadzie te same procesy jakie występują w systemach mikrofalowych lub systemach na fale milimetrowe.

W dalszej części zostaną omówione podstawowe układy i techniki modulacji demodulacji, oscylatorów lokalnych w systemach koherentnych i niektóre praktyczne układy doświadczalne.

Kluczowanie z przesuwem amplitudy (ASK)

Przy binarnej modulacji ASK „0” i „1” przesyłane są w systemie pełnej modulacji amplitudy. Modulacja musi być uzyskiwana bez znaczącego przesuwu częstotliwości nośnej. Przy heterodynowej detekcji obwiedni i modulacji ASK oraz przy koherentnej detekcji heterodynowej i modulacji ASK istnieją trzy alternatywne rozwiązania układu nadajnika:

oscylator laserowy o stabilizowanej częstotliwości połączony z zewnętrznym modulatorem amplitudy,

bezpośrednia modulacja lasera półprzewodnikowego ze stabilizacją modu podłużnego (np. laser o rozłożonym sprzężeniu zwrotnym DFB lub laser o rozłożonym reflektorze Bragga DBR) sterowanego dużym sygnałem.

bezpośrednia modulacja lasera półprzewodnikowego ze wstrzykiwaniem, za pomocą innego oscylatora laserowego o stabilizowanej częstotliwości.

Zaletą pierwszej z tych trzech metod jest fakt, że występuje w niej modulacja amplitudy optycznej fali nośnej o częstotliwości modulującej aż do 1÷2GHz bez pogorszenia stałości częstotliwości oscylatora laserowego. Jednak niezbędne są w tym przypadku oscylator laserowy dużej mocy i modulator o małym tłumieniu, ponieważ następujący po mieszaczu wzmacniacz optyczny o zwartej budowie i dużym wzmocnieniu oraz dużej mocy wyjściowej dla sygnału ASK wydaje się być jak na razie trudny do skonstruowania. Do przesyłania sygnału ASK wykorzystywane są zarówno wzmacniacze z laserami półprzewodnikowymi o fali bieżącej, jak i z laserami Fabry-Perota. Wadą laserów typu Fabry-Perota jest mała wartość mocy wyjściowej nasycenia rzędu od -10dBm do -5dBm. Wadą drugiej metody jest pasożytnicza modulacja częstotliwości, spowodowana zmianami prądu wstrzykiwania. W trzeciej metodzie, do zmniejszenia szumu częstotliwości lasera półprzewodnikowego z modulacją bezpośrednią, stosowane jest wstrzykiwanie koherentnego przebiegu o stabilizowanej częstotliwości, generowanego w innym laserze.

Rys. 4.10. Modulator i demodulator w koherentnym systemie z modulacją ASK.

Do demodulacji sygnału ASK wykorzystywane są detekcja obwiedni i detekcja koherentna. W obu układach występuje prawie taki sam poziom mocy sygnału odbieranego lecz układ detekcji obwiedni charakteryzuje się znacznie prostszą strukturą i wykazuje większą odporność na szum fali nośnej.

Kluczowanie z przesuwem częstotliwości (FSK)

W procesie binarnej modulacji FSK, gdzie jedna częstotliwość odpowiada „1” a druga „0” modulacja i demodulacja może być koherentna lub niekoherentna. W częstszym przypadku niekoherentnej modulacji FSK, częstotliwości odpowiadające „1” i „0” oddalone są od siebie o całkowitą wielokrotność B[Hz]. Ponieważ jak na razie trudno jest wytworzyć w laserze półprzewodnikowym przesunięcie częstotliwości o precyzyjnie ustalonej wartości, alternatywę stanowi metoda FSK z pojedynczym filtrem, w którym jedna częstotliwość optyczna wypada całkowicie poza pasmem przepustowym odbiornika i sygnał odbierany jest jak przy modulacji ASK ze stratą systemową 3dB. Systemy koherentne z modulacją przesunięcia fazy, takie jak z minimalnym przesunięciem (MSK), wymagają mniejszej szerokości pasma, ale są trudniejsze w realizacji i nie będą tu omawiane. W systemach detekcji heterodynowej FSK z podwójnym filtrem i w systemach detekcji heterodynowej FSK z dyskryminatorem, możliwe są także trzy alternatywne rozwiązania układu nadajnika:

połączenie oscylatora laserowego o stabilizowanej częstotliwości i modulatora zewnętrznego,

bezpośrednia modulacja częstotliwości lasera półprzewodnikowego,

bezpośrednia modulacja lasera półprzewodnikowego ze wstrzykiwaniem, za pomocą innego oscylatora laserowego o stabilizowanej częstotliwości.

Zewnętrzna modulacja częstotliwości jest realizowana z wykorzystaniem zjawiska elektrooptycznego lub akustooptycznego. Sposób wykonania takiego modulatora zostanie opisany w rozdziale 8 „Optoelektronika zintegrowana”. Główne wady zewnętrznej modulacji częstotliwości to duże tłumienie i ograniczona szerokość pasma częstotliwości modulacji. Bezpośrednia modulacja częstotliwości lasera półprzewodnikowego uzyskiwana jest trzema metodami:

poprzez modulację prądu wstrzykiwania w laserze półprzewodnikowym,

za pomocą elektrooptycznego modulatora fazy i wzmacniacza laserowego,

za pomocą fali akustycznej w modulatorze wykorzystującym efekt fotoelastyczny.

We wszystkich tych trzech metodach wykorzystuje się zmianę współczynnika załamania w falowodzie lasera pod wpływem elektrycznego sygnału wejściowego. Modulacja elektrooptyczna może wymagać zastosowania modulatora o skomplikowanej strukturze i może podlegać szkodliwemu oddziaływani silnej pasożytniczej modulacji amplitudy wywołanej efektem Franza-Kiełdysza. Pasożytnicza modulacja amplitudy występuje także przy modulacji prądem wstrzykiwania lasera konwencjonalnego. Zmniejszenie szumu częstotliwości jest możliwe za pomocą wstrzykiwania zewnętrznego sygnału koherentnego. Jednak w nadajniku FSK szerokość pasma sygnału wstrzykiwanego musi być mniejsza niż częstotliwość modulacji tak, aby nie spowodować pogorszenia sprawności modulacji częstotliwości. Dryft (przesunięcie) częstotliwości i szum kwantowy modulacji częstotliwości można wyeliminować za pomocą wstrzykiwania tylko na częstotliwości mniejszej niż sygnał modulujący. Jako wzmacniacz końcowy dla sygnałów FSK i PSK może być wykorzystywany laser półprzewodnikowy ze wstrzykiwaniem. Zmniejszenie przesuwu częstotliwości można ograniczyć do mniej niż 1dB, jeśli szerokość pasma sygnału wstrzykiwanego będzie większa niż 1,3mm. Dla sygnału FSK można uzyskać wzmocnienie rzędu od 30dB do 40dB lub nawet większe.

Do demodulacji wykorzystywana jest detekcja z dyskryminacją częstotliwości i detekcja z podwójnym filtrem, a sygnał FSK dobiera się tak, aby jego częstotliwość była równa częstotliwości zegara dla detekcji z dyskryminacją częstotliwości i aby była dwukrotnie wyższa od częstotliwości zegara dla detekcji z podwójnym filtrem. Układ detekcji z dyskryminacją częstotliwości jest prostszy, ale ten system detekcji narzuca ostrzejsze wymagania na szum fali nośnej w porównaniu z detekcją z podwójnym filtrem. System FSK o dużej dewiacji częstotliwości i detekcji z podwójnym filtrem lepiej toleruje szum fali nośnej ale wymaga dużej szerokości pasma detektora.

Rys. 4.11. Modulator i demodulator w koherentnym systemie z modulacją FSK.

Kluczowanie z przesuwem fazy (PSK) i różnicowe kluczowanie z przesuwem fazy (DPSK)

W binarnym kluczowaniu z przesuwem fazy, faza przesyłanej fali nośnej ulega przesunięciu od wartości φ₁ do φ₂ przy zmianie stanu sygnału zawierającego informację z „0” na „1”. Modulacja bifazowa (φ₁ - φ₂ =π) zapewnia uzyskanie największej czułości odbiornika, ale do demodulacji potrzebne jest zastosowanie pętli fazowej sprzężonej z wytłumioną falą nośną. Zmniejszenie w niewielkim stopniu głębokości modulacji powoduje, że w sygnale pozostaje szczątkowa fala nośna, a to ułatwia utrzymanie ustalonej fazy. Zastosowanie zewnętrznej modulacji diody laserowej (np. za pomocą modulatora wykonanego w technice optyki zintegrowanej) jest niezbędne, a tłumienie wprowadzane przez modulator (zwykle kilka decybeli) może zniweczyć zalety systemowe PSK. W binarnej DPSK sygnał zakodowano różnicowo przed doprowadzeniem go na zaciski modulatora „l” przesłano przez zmianę fazy fali nośnej o 180° pomiędzy kolejnymi bitami, podczas gdy „0” jest przesyłane przez wysłanie impulsu w fazie z poprzednim bitem. Demodulację i dekodowanie różnicowe można więc zrealizować przez porównanie fazy jednego bitu z fazą bitu poprzedzającego, wówczas system wymaga jedynie zgodności fazy od bitu do bitu w źródłach optycznych. Nie ma potrzeby wiązania się z wytłumioną falą nośną, chociaż czułość się zmniejsza o około 1dB w porównaniu z PSK, wskutek tego, że w procesie demodulacji wykorzystywany jest bit poprzedzający (zaszumiony) zamiast czystej, o ustalonej fazie, fali nośnej. Zewnętrzny modulator fazy (chociaż wprowadza on tłumienie) jest więc nadal potrzebny.

Rys. 4.12. Modulator i demodulator w koherentnym systemie z modulacją PSK.

Struktura nadajnika dla heterodynowej detekcji różnicowej PSK i dla heterodynowej detekcji koherentnej może być oparta na kombinacji oscylatora laserowego o stabilizowanej częstotliwości i zewnętrznym modulatorze fazy wykonanym na przykład na związkach LiNbO₃. Tłumienie własne i tłumienie sprzężenia można skompensować za pomocą wzmacniacza końcowego na laserze półprzewodnikowym ze wstrzykiwaniem.

Do demodulacji sygnałów PSK wykorzystywane są detekcja różnicowa lub detekcja koherentna. Optymalny przesuw fazy w systemie binarnym wynosi π dla obu układów detekcji. Detekcja różnicowa wykorzystuje znacznie prostsze układy i jest niewrażliwa na szum częstotliwości nośnej, ale wymaga o około 0,5dB większego poziomu odbieranego sygnału w porównaniu z układem detekcji koherentnej.

1. Doświadczalne układy transmisji koherentnej

Zrealizowano już układy demodulacyjne częstotliwości pośredniej o częstotliwościach środkowych 1,7GHz i 4GHz. W niedalekiej przyszłości można się spodziewać zrealizowania układów na większe częstotliwości pośrednie. Ograniczenia przepływności wydają się wynikać z właściwości systemów modulacji i z ograniczonej szerokości pasma fotodetektorów.

W oddanej do próbnej eksploatacji w sieci z modulacją DPSK (Cambridge 1990) osiągnięto bilans mocy powyżej 50dB przy 565Mbit/s i BER<10^-13. Jako źródła światła w nadajniku i w oscylatorze lokalnym wykorzystano zminiaturyzowane diody laserowe LEC (o zewnętrznym długim obwodzie wnękowym) o szerokości linii widmowej <100kHz przy mocy wyjściowej 0dBm (Rys. 4.13). W innym doniesieniu (Electronic Letters 1990) opisuje się doświadczenia związane z transmisją sygnału CPFSK o przepływności 2,488Gbit/s bez regeneratorów na odległość 308km za pomocą konwencjonalnego światłowodu. System ma czułość -46,7dBm lub 67 fotonów na bit przy BER=10^-9. Jako nadajnik służy trójelektrodowa dioda DFB o długiej wnęce na falę 1554nm. Następny obiecujący eksperyment to transmisja homodynowa PSK o przepływności 1Gbit/s z pilotową falą nośną w której wykorzystano laser półprzewodnikowy InGaAsP o ustalonej fazie, z zewnętrznym obwodem wnękowym (ECL) i szerokości linii widmowej 3kHz. Użyto zewnętrznego modulatora fazy LiNbO₃ o fali bieżącej. Zmierzona czułość odbiornika wynosiła -52,2dBm lub 46 fotonów na bit.

Rys. 4.13. Schemat blokowy systemu demonstrowanego w warunkach eksploatacyjnych.

---