Podstawy telekomunikacji optofalowej Siewierz

Podstawy telekomunikacji optofalowej są książką wprowadzającą do rozwiniętego w ostatnich 40 latach obszaru wiedzy i techniki służących transmisji informacji. Cechą charakterystyczną tych technik jest wykorzystanie fal elektromagnetycznych z zakresów pasm optycznych: bliskiej podczerwieni i widzialnego. Techniki skupione najpierw na doskonaleniu światłowodu kwarcowego jako linii transmisyjnej długiego dystansu, rozwinęły się w wielu kierunkach: łączności satelitarnej, transmisji w przestrzeni pomiędzy budynkami i wewnątrz nich, między poruszającymi się pojazdami, w systemach sensoryki, między procesorami systemów komputerowych i układów scalonych. Książka stanowi pomoc dydaktyczną dla studiujących na poziomie wyższym w dyscyplinach: teleinformatyki, elektroniki, automatyki i robotyki, fizyki technicznej, elektryki i transportu. Spis treści: Spis treści Od Autora 11 Wykaz ważniejszych skrótów 15 Wykaz ważniejszych oznaczeń 19 Wykaz ważniejszych oznaczeń na rysunkach 21 1. Od telegrafu do terabitów 25 1.1. Rys historyczny 25 1.2. Czas telegrafu i telefonu 26 1.3. Światłowód na scenie 29 1.4. Budujemy infosferę 33 1.5. Kierunki rozwoju 36 Bibliografia rozdziału 1 37 2. Światłowody i elementy optyczne 39 2.1. Wprowadzenie 39 2.2. Światłowody kwarcowe 40 2.2.1. Struktura światłowodu 40 2.2.2. Światłowody wielo- i jednomodowe 42 2.2.3. Tłumienie światłowodu 45 2.2.4. Dyspersja modowa 46 2.3. Właściwości światłowodu jednomodowego 49 2.3.1. Pole EM propagowanego modu 49 2.3.2. Prędkości fazowa i grupowa 50 2.3.3. Dyspersja materiałowa kwarcu 52 2.3.4. Dyspersja chromatyczna światłowodu jednomodowego 53 2.3.5. Dyspersja i kontrola polaryzacji 56 2.3.6. Efekty nieliniowe w światłowodzie 59 2.4. Inne rodzaje światłowodów 61 2.4.1. Światłowody planarne 61 2.4.2. Światłowody plastikowe 64 2.4.3. Światłowody z kryształów fotonicznych 66 2.5. Elementy torów optycznych 67 2.5.1. Dzielniki mocy optycznej 67 2.5.2. Optyczne sprzęgacze kierunkowe 68 2.5.3. Światłowodowe siatki Bragga 72 2.5.4. Izolatory i cyrkulatory optyczne 78 2.6. Kable i łączenie światłowodów 81 2.7. Podsumowanie 85 Bibliografia rozdziału 2 85 3. Lasery telekomunikacyjne 87 3.1. Wprowadzenie 87 3.2. Wiadomości podstawowe 87 3.2.1. Elementy lasera 87 3.2.2. Pobudzenie i emisja 88 3.2.3. Warunek akcji laserowej 91 3.3. Diody świecące typu LED 92 3.3.1. Złącze p-n 92 3.3.2. Heterozłącze P-n-N 93 3.3.3. Charakterystyki diody LED 96 3.4. Półprzewodnikowe lasery diodowe 98 3.4.1. Budowa diodowego lasera półprzewodnikowego 98 3.4.2. Lasery z rezonatorem Fabry’ego-Perota 99 3.4.3. Lasery wykorzystujące siatki (filtry) Bragga 101 3.4.4. Lasery o emisji powierzchniowej 104 3.4.5. Lasery z rezonatorem zewnętrznym 105 3.4.6. Lasery przestrajane 105 3.4.7. Lasery światłowodowe 108 3.5. Charakterystyki laserów diodowych 109 3.5.1. Równania dynamiki lasera diodowego 109 3.5.2. Podstawowe charakterystyki lasera diodowego 111 3.5.3. Dioda laserowa jako element obwodu 113 3.5.4. Charakterystyki modulacji lasera diodowego 114 3.6. Nadajnik optyczny 114 3.6.1. Układy sterowania prądem lasera 114 3.6.2. Nadajnik z laserem diodowym 115 3.7. Podsumowanie 116 Bibliografia rozdziału 3 117 4. Fotodetektory i odbiorniki optyczne 119 4.1. Wprowadzenie 119 4.2. Wiadomości podstawowe 120 4.2.1. Absorpcja fotonów i efekt fotoelektryczny 120 4.2.2. Wydajność kwantowa i czułość fotodetektora 122 4.3. Fotodetektory komunikacji optycznej 123 4.3.1. Fotorezystory 123 4.3.2. Fotodiody p-n 124 4.3.3. Fotodiody p-i-n 125 4.3.4. Pasmo pracy fotodiody p-i-n 128 4.3.5. Fotodiody p-i-n z falą bieżącą 130 4.3.6. Fotodiody lawinowe 132 4.3.7. Fotodiody z barierą Schottky’ego 133 4.3.8. Fototranzystory 134 4.3.9. Porównanie fotodetektorów 135 4.4. Odbiorniki optyczne z detekcją bezpośrednią 136 4.4.1. Obwodowe parametry fotodiody p-i-n 136 4.4.2. Wzmacniacze współpracujące z fotodiodą p-i-n 138 4.4.3. Szumy odbiorników optycznych 139 4.5. Detekcja koherentna 143 4.5.1. Detekcja w obecności dwóch sygnałów 143 4.5.2. Produkty detekcji heterodynowej i homodynowej 144 4.5.3. Stosunek sygnału do szumu przy detekcji heterodynowej i homodynowej 146 4.6. Podsumowanie 146 Bibliografia rozdziału 4 147 5. Wzmacniacze sygnałów optycznych 149 5.1. Wprowadzenie 149 5.2. Wiadomości podstawowe 150 5.2.1. Klasyfikacja wzmacniaczy optycznych 150 5.2.2. Trzy główne typy zastosowań wzmacniaczy optycznych 151 5.2.3. Podstawowe parametry wzmacniaczy optycznych 151 5.3. Wzmacniacze półprzewodnikowe 155 5.3.1. Wzmacniacze półprzewodnikowe z rezonatorem 155 5.3.2. Wzmacniacze półprzewodnikowe z falą bieżącą 158 5.4. Wzmacniacze światłowodowe EDFA 159 5.4.1. Światłowód domieszkowany erbem 159 5.4.2. Układ i charakterystyki wzmacniacza EDFA 160 5.4.3. Wzmacniacze z innymi pierwiastkami ziem rzadkich 163 5.5. Światłowodowe wzmacniacze Ramana 164 5.5.1. Efekt wymuszonego rozpraszania Ramana 164 5.5.2. Układ wzmacniacza Ramana 165 5.6. Podsumowanie 169 Bibliografia rozdziału 5 170 6. Modulatory sygnałów optycznych 173 6.1. Wprowadzenie 173 6.2. Wiadomości podstawowe 173 6.2.1. Podstawowe definicje 173 6.2.2. Analogowa modulacja amplitudy 174 6.2.3. Analogowa modulacja częstotliwości 177 6.2.4. Analogowa modulacja fazy 180 6.2.5. Modulacje impulsowe 181 6.3. Bezpośrednia modulacja lasera 183 6.3.1. Modulacja mocy optycznej lasera 183 6.3.2. Czułość modulacji mocy lasera 185 6.3.3. Szumy i czystość widmowa sygnału lasera 187 6.4. Modulatory elektrooptyczne 189 6.4.1. Efekt elektrooptyczny 189 6.4.2. Modulator fazy 190 6.4.3. Sprzęgacz jako modulator amplitudy 192 6.4.4. Interferometr Macha-Zehndera – zasada działania 195 6.4.5. Modulator Macha-Zehndera – przykłady rozwiązań 200 6.4.6. Modulator z przestrajanym rezonatorem pierścieniowym 203 6.5. Inne rodzaje modulatorów 205 6.5.1. Modulatory elektroabsorpcyjne 205 6.5.2. Modulatory elektroakustyczne 206 6.6. Podsumowanie 207 Bibliografia rozdziału 6 208 7. Analogowe łącza optyczne z detekcją bezpośrednią 211 7.1. Wprowadzenie 211 7.2. Łącza analogowe z modulacją amplitudy i detekcją bezpośrednią 213 7.2.1. Łącze z bezpośrednią modulacją mocy optycznej 213 7.2.2. Wzmocnienie łącza analogowego z modulacją bezpośrednią 216 7.2.3. Łącze z zewnętrzną modulacją mocy optycznej 219 7.2.4. Wzmocnienie łącza analogowego z modulacją zewnętrzną 222 7.3. Charakterystyka optycznych łączy analogowych 223 7.3.1. O doborze punktu pracy modulatora M-Z 223 7.3.2. Transmisja światłowodem zmodulowanego sygnału optycznego 226 7.3.3. Modulacje jednowstęgowe i z wytłumieniem nośnej 229 7.4. Szumy i zniekształcenia w optycznych łączach analogowych 232 7.4.1. Szumy w optycznych łączach analogowych 232 7.4.2. Zniekształcenia intermodulacyjne w łączach analogowych 237 7.4.3. Linearyzacja charakterystyk modulacji 240 7.5. Podsumowanie 242 Bibliografia rozdziału 7 243 8. Macierz rozproszenia w łączu optycznym 245 8.1. Uwagi o macierzy rozproszenia 245 8.2. Macierz rozproszenia obwodów mikrofalowych 246 8.2.1. Założenia 246 8.2.2. Definicja macierzy rozproszenia 248 8.2.3. Własności macierzy rozproszenia 248 8.2.4. Macierz rozproszenia wielowrotnika 250 8.2.5. Macierz transmisyjna 251 8.2.6. Macierz rozproszenia mieszacza mikrofalowego 252 8.3. Macierz rozproszenia w obwodach łącza optycznego 255 8.3.1. Zasady ogólne 255 8.3.2. Macierz rozproszenia lasera modulowanego bezpośrednio 257 8.3.3. Macierz rozproszenia nadajnika z modulatorem M-Z 260 8.3.4. Macierz rozproszenia fotodetektora 261 8.3.5. Macierz rozproszenia światłowodu 263 8.4. Macierz rozproszenia w prowadnicach optycznych 266 8.4.1. Fala na granicy dwóch ośrodków 266 8.4.2. Rezonator Fabry’ego-Perota w torze optycznym 267 8.4.3 Interferometr Macha-Zehndera 269 8.5. Podsumowanie 271 Bibliografia rozdziału 8 272 9. Analogowe łącza optyczne z detekcją koherentną 275 9.1. Wprowadzenie 275 9.2. Odbiorniki koherentne 276 9.2.1. Podstawowy układ odbiornika z detektorem koherentnym 276 9.2.2. Odbiornik koherentny z podwójnym fotodetektorem zrównoważonym 278 9.2.3. Odbiornik koherentny sygnału spolaryzowanego 281 9.2.4. Detektor koherentny ze sprzęgaczem 3 x 3 283 9.2.5. Stabilizacja częstotliwości heterodyny w odbiornikach koherentnych 284 9.3. Nadajniki łączy z detektorem koherentnym 286 9.3.1. Nadajnik z modulacją fazy 286 9.3.2. Nadajnik z modulacją amplitudy i fazy 287 9.4. Systemy transmisyjne z detekcją homodynową 289 9.4.1. Właściwości detektora homodynowego 289 9.4.2. Łącze optyczne z detekcją homodynową 290 9.5. Łącza optyczne z modulacją fazy 291 9.5.1. Łącze optyczne z modulacją fazy i detekcją koherentną 291 9.5.2. Łącze optyczne z modulacją fazy i interferometrem Macha-Zehndera 292 9.5.3. Konwersja modulacji fazy na modulację amplitudy 295 9.6. Podsumowanie 297 Bibliografia rozdziału 9 297 10. Cyfrowe łącza optyczne 301 10.1. Wiadomości podstawowe 301 10.1.1. Wprowadzenie 301 10.1.2. Sygnał analogowy i cyfrowy 301 10.1.3. Twierdzenie Shannona-Hartleya 303 10.1.4. Klasyfikacja technik cyfrowej transmisji informacji 304 10.1.5. Podstawowa struktura łącza 306 10.2. Łącza z modulacją mocy i detekcją bezpośrednią (IM-DD) 307 10.2.1. Nadajnik łącza 307 10.2.2. Odbiornik łącza w systemach z detekcją bezpośrednią 310 10.2.3. Transmisja światłowodem – bilans mocy 316 10.2.4. Transmisja światłowodem – efekty dyspersji 319 10.2.5. Solitony 324 10.2.6. Łącza długiego dystansu 327 10.3. Łącza z wielostanową modulacją amplitudy i fazy 332 10.3.1. Więcej o formatach modulacji 332 10.3.2. Łącze z różnicową modulacją fazy DPSK i detekcją bezpośrednią 336 10.3.3. Nadajniki modulacji wielostanowej 339 10.3.4. Odbiorniki modulacji wielostanowej 342 10.3.5. Łącza z rozdziałem polaryzacji 344 10.4. Podsumowanie 347 Bibliografia rozdziału 10 348 11. Multipleksacja w łączach optycznych 351 11.1. Wprowadzenie 351 11.2. Multipleksacja z podziałem czasu 352 11.2.1. Multipleksacja z podziałem czasowym TDM 352 11.2.2. Optyczna multipleksacja z podziałem czasowym OTDM 354 11.3. Multipleksacja WDM z podziałem długości fali 357 11.3.1. Podstawowe zasady multipleksacji WDM 357 11.3.2. Układy multipleksacji i demultipleksacji 361 11.3.3. Filtry optyczne 367 11.3.4. Falowodowe siatki dyfrakcyjne 371 11.3.5. Systemy z laserem generującym grzebień częstotliwości 375 11.4. Multipleksacja SCM na podnośnych 378 11.4.1. Idea i właściwości multipleksacji na podnośnych 378 11.4.2. Systemy z multipleksacją SCM i WDM 380 11.5. Multipleksacja przestrzenna SDM 382 11.6. Podstawowe struktury sieci 384 11.7. Podsumowanie 386 Bibliografia rozdziału 11 388 12. Systemy radiowo-światłowodowe 391 12.1. Wprowadzenie 391 12.2. Architektura sieci radiowo-światłowodowej RoF 394 12.2.1. Zasady pracy systemów radiowo-światłowodowych 394 12.2.2. Łącza optyczne z modulacją mocy i detekcją bezpośrednią 397 12.3.3. Łącza optyczne z modulacją fazy i detekcją koherentną 398 12.3. Systemy radiowo-światłowodowe pasm milimetrowych 400 12.3.1. Uwagi ogólne 400 12.3.2. Systemy z powielaniem częstotliwości nośnej 400 12.3.3. Generacja nośnej drogą mieszania sygnałów optycznych 402 12.4. Transmisja sygnałów mikrofalowych łączami RoF 404 12.4.1. Struktura łączy z modulacją bezpośrednią 404 12.4.2. Struktura łączy z modulacją zewnętrzną 407 12.4.3. Przykłady rozwiązań 408 12.5. Podsumowanie 412 Bibliografia rozdziału 12 413 13. Łącza optyczne wolnej przestrzeni 417 13.1. Wprowadzenie 417 13.2. Idea łącza optycznego wolnej przestrzeni 419 13.2.1. Układ łącza i jego elementy 419 13.2.2. Parametry wiązki promieniowania 420 13.2.3. Wzmocnienie anteny/soczewki 423 13.3.4. Jaką moc odbiera odbiornik 424 13.3. Łącza optyczne FSO Ziemia-Ziemia 425 13.3.1. Stosowane rozwiązania 425 13.3.2. Warunki propagacji w atmosferze 426 13.3.3. Łącza FSO w sieci 428 13.4. Komunikacja optyczna w przestrzeni 429 13.4.1. Specyfika łączy satelitarnych 429 13.4.2. Naprowadzanie, wykrywanie i śledzenie 432 13.4.3. Porównanie transmisji radiowej i optycznej 433 13.5. Komunikacja optyczna wewnątrz budynków 435 13.5.1. Uwagi ogólne 435 13.5.2. Systemy z szeroką wiązką 436 13.5.3. Systemy ze skupioną wiązką 439 13.6. Podsumowanie 440 Bibliografia rozdziału 13 441 14. Fotonika w mikrofalowych systemach antenowych 443 14.1. Wprowadzenie 443 14.2. Mikrofalowe anteny fazowane 444 14.2.1. Struktura i działanie fazowanego szyku antenowego 444 14.2.2. Szyk antenowy jako odbiornik 449 14.3. Fotonika w układach formowania wiązki 452 14.3.1. Łącze optyczne jako prowadnica sygnału mikrofalowego 452 14.3.2. Optomikrofalowe przesuwniki fazy 454 14.3.3. Przełączane układy opóźniające 457 14.3.4. Układy TTD z rezonatorami pierścieniowymi 458 14.3.5. Układy TTD z liniami dyspersyjnymi 461 14.3.6. Układy formowania impulsów z siatkami Bragga 466 14.4. Kierunki rozwoju 469 14.4.1. Systemy wielowiązkowe i dwuwymiarowe 469 14.4.2. Cyfryzacja układów T/R 470 14.5. Podsumowanie 471 Bibliografia rozdziału 14 472 Bibliografia książek i stron internetowych 475 O Autorze 477