Структура на оптични комуникационни мрежи; дискретни прибори. Оптични комуникационни компоненти. Част I.

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8/2015 • 21.12.2015

Стефан Куцаров

Kонцепцията за обмен на аналогови сигнали и цифрови данни чрез светлина вместо с електрически ток не е новост, но става все по-актуална главно заради необходимостта от предаване на по-големи обеми информация за колкото е възможно по-кратко време. В зависимост от средата на разпространение на светлината съществуват два основни вида оптични комуникации, като най-масова е ползващата оптични влакна (Fiber Optic Communication) FOC. Определящата причина за това е независимото от околната среда (и най-вече от влиянието на електромагнитни полета) разпространение на светлината и съответно на пренасяната информация, поради което не е необходимо утежняващото работата на класическите електронни апаратури екраниране. Освен това обменът на информация чрез светлина изисква няколко десетки пъти по-малко енергия от този чрез електрически ток. За индустриалните приложения на FOC съществено предимство на оптичните влакна е работата им в агресивна околна среда, например създаваща опасност от корозия или/и твърде висока околна температура. Съществено предимство е и десетина пъти по-малкото тегло на оптичните кабели от тези с електрически проводници.

Допълнителен важен фактор за развитието на оптичните комуникации е вече съществуващото голямо количество дискретни прибори и интегрални схеми (ИС) на допустима за масови приложения цена, реализирани чрез съвременни полупроводникови съединения – GaAs, SiGe, InP, CMOS и SiPh (силициева фотоника). Бързо се развива и направлението на фотонните ИС (Photonic Integrated Circuits) PIC, които са хибридни и монолитни и в зависимост от предназначението си съдържат лазери, детектори, модулатори, атенюатори, мултиплексори, демултиплексори и оптични усилватели. Съществено е да се добави, че намаляващите размери и тегло на широко разпространените модули (някои са с размери на ИС) заедно с удобствата, които предлагат при реализацията на апаратури, вече позволяват все по-често те също да бъдат приемани като компоненти.

Структура на комуникационна мрежа с оптични кабели
Нейният логичен вид за еднопосочна връзка е чрез преобразуване на електрическите сигнали в оптични, предаването им по оптичен кабел и обратното преобразуване (фиг. 1а). При предаване на аналогови сигнали блокът ElSign осигурява на изхода си обикновено постоянен ток 4-20 mA или постоянно напрежение 0-10 V, докато цифровите сигнали са правоъгълни импулси, например във формата на Ethernet или някой интерфейс. Специфичен случай са множество индустриални приложения, където сигналът показва затвореното състояние на механичен контакт от произволен тип. Първият преобразувател на фиг. 1а е FOT (от Fiber Optic Transmitter), ползва се и означението E/O Converter, а при механични контакти като източник на електрически сигнал - FOT-CC (от Closed Contact). Светлинните лъчи по оптичния кабел се получават чрез лазерен или обикновен светодиод, изборът на който зависи от приложението на мрежата. В края на кабела е приемникът FOR (от Fiber Optic Receiver), означаван още като O/E Converter и FOR-CC, който възстановява електрическите сигнали чрез някоя от разновидностите на бързите фотодиоди. Осигуряването на връзката чрез светлина определя още едно предимство на оптичните комуникации – галваничното разделяне на свързваните обекти, което за много индустриални системи е от основно значение.

Структурата на фиг. 1а е известна като „точка до точка” (Point-to-Point), тъй като установява връзка между два обекта, съдържащи блоковете ElSign. Нейна разновидност за работа с повече контакти N (обикновено до 10) са многоканалните системи (Multi-Channel Contact Closure) на фиг. 1б. Многобройни са приложенията за свързване на повече от два обекта в оптични мрежи с битово и индустриално приложение, чиито конфигурации по принцип не се различават от тези на мрежите с електрически проводници - последователно свързване (Daisy Chain и близката до нея Bus Topology), кръгов тип (Ring Topology) и тип “звезда” (Star Configuration, Star Topology). Разновидност на последната в оптичните мрежи е с използването на мултиплексори за оптични влакна (Fiber Optic Multiplexer) FOM, в чието действие няма принципна разлика от използването на мултиплексори за обмен на електрически сигнали. Пример за такава е даден на фиг. 1в, като ET1-ETN са предавателите и ER1-ERN - приемниците.

Важно е да се има предвид, че оптичните мрежи по-често се използват за двупосочен обмен, като в двата си края вместо FOT и FOR имат приемо-предаватели (Fiber Optic Transceiver) FOTR. Освен това независимо от вида на оптичната мрежа при големи разстояния между обектите се налага през определени интервали да се поставят повторители (Optical Repeater) за компенсиране на загубите на енергия.

Автоматизацията на промишлени предприятия и особено на такива с непрекъснат производствен процес изисква гарантирането на безотказна работа на оптичните мрежи. Едно от решенията е реализацията им като самовъзстановяващи се с кръгова структура (Self-Healing Ring Topology) с две основни особености – при повреда на основния оптичен кабел трафикът автоматично се прехвърля към резервния и за установяване на връзка между два обекта също автоматично се избира пътят с най-малко време за обмен на данните.

Специфична област на оптичните комуникации, която се развива през последното десетилетие, е замяната с оптичен кабел на коаксиалния между предаватели в обхвата около и над 1 GHz и тяхната антена. Тя е известна като Radio over Fiber Technology и RF over Fiber (RoF) и постепенно добива популярност в базовите станции на GSM мрежата, радарни системи и такива за връзка със спътници, в кораби и самолети. Към споменатите предимства на оптичните кабели тук се прибавя няколко стотици пъти по-малкото затихване на сигналите през тях, а връзките се осъществяват чрез аналогови сигнали в съответствие с фиг. 1а. Разширяват се приложенията на RoF за връзка между приемна антена, например за спътникова телевизия, и група консуматори.

Аналогично на комуникациите чрез електромагнитни вълни за обмен на данни се ползват дължини на вълните в определена лента (Spectral Width) Dl със средна дължина (Center Wavelength, Peak Emission Wavelength) lp. Стойностите й се избират така, че затихването на сигналите при преминаване по оптичните кабели да е най-малко и те са предмет на международни норми. С най-голямо приложение са инфрачервените лъчи с популярните стойности на lp от 850 nm, 1310 nm (O-band с обхват 1260-1360 nm) и 1550 nm (C-band с обхват 1530-1565 nm), но освен тях се използват S-band (1460-1530 nm), L-band (1565-1625 nm) и U-band (1625-1675 nm). За видимия спектър е 650 nm-band (червена светлина).

Дискретни прибори

Източници на светлина. Ползваните във FOT лазерни диоди (Laser Diode – LD) са няколко разновидности в зависимост от структурата – с разпределена обратна връзка (DFB Laser), с непосредствена модулация (DML), електроабсорбционни (EML) и с вертикална кухина и повърхнинно излъчване (VCSEL). Всички те осигуряват големи скорости (Data Rate – DR) на предаваните данни и значителна мощност (Average Output Power) Po на лъча, която е за lp и реално се получава в точката на фокусиране пред LD, чието разстояние lFP от определена тяхна плоскост понякога се дава като параметър. Стойностите на Dl на LD са много малки, което позволява допускането, че лъчът им е само с lp. Тяхната значителна Ро води до предимството на големи разстояния на установяване на връзките, а основните им недостатъци са цената, сравнително късият експлоатационен срок и твърде силното влияние на температурата върху параметрите. На редове 2, 6 и 7 в табл.1 са основните параметри на популярни LD, като токът им IF е за получаване на Ро и tr/tf са продължителностите на предния и задния фронт на светлинните импулси. Полезно е да се има предвид, че част от LD се предлагат като серии с различни стойности на lp и че има модели (например дадените на редове 6 и 7 в табл. 1) с вграден фотодиод за измерване на Ро. За работа в тежки условия има модели с херметични корпуси, например даденият на ред 2.

Обикновените светодиоди (LED) имат по-малка DR и по-широка Dl, а следствие от последната са по-късите разстояния на връзка. Предпочитат се поради по-ниската си цена, когато могат да осигурят желана DR. Съществена особеност е, че на предназначените за битови и индустриални апаратури LED стойността на DR често не се дава, тъй като е достатъчна за съответните приложения. Значително по-широкият ъгъл на излъчване на LED е причина понякога вместо Ро да се дава мощността в един стерадиан (Radian Intensity) Ie в mW/sr. Ползването на lp=650 nm осигуряват минимално затихване по оптичните кабели с носеща среда от специални пластмаси (Plastic Optical Fiber) POF.

Драйвери. На входа им постъпват данните за предаване, а на изхода си те осигуряват необходимия ток за излъчване от съответния диод. Наименованията им са в зависимост от типа на последния (Laser Diode Driver и LED Driver), а основните параметри са максималната DR, осигуряваният ток (Bias Current) IBIAS и захранващото напрежение VCC. Типични примери на драйвери за LD са ADN2525 на Analog Devices c DR=10,7 Gbps, IBIAS=10-100 mA и VCC=3,07-3,53 V, MAX3949 на Maxim Integrated c DR=1-11,3 Gbps, IBIAS=105 mA и VCC=2,95-3,63 V (той е характерен пример на драйвери модулатори, които осигуряват и модулиране на тока на LD), SY88022AL на Micrel (вече част от Microchip Technology) c DR=11.3125 Gbps, IBIAS=10-80 mA и VCC=3-3,6 V и ONET1151L на Texas Instruments c DR=1-11,3Gbps, IBIAS=100max и VCC=2,8-3,53V. За EML е драйверът MAOM-002203 на Macom с DR=28 Gbps, IBIAS=120 mA и VCC=3,3V±0,16 V, който чрез подходящо свързване може да се използва в 100 Gbps Ethernet. Типичен драйвер за LED е NT20042 на Semtech c DR=300 Mbps, IBIAS=100max и VCC=3,3-5 V. По принцип всеки драйвер има специфичен начин на свързване към диода, като в каталозите винаги се дава схемата. Посочват се и оптичните мрежи, в които драйверите могат да се ползват.

Приемници на светлина. Във FOR на фиг.1 те ползват PIN фотодиоди и лавинни фотодиоди (Avalanche Photodiode) APD. За нормално установяване на връзка е необходим и подходящ LD или LED, най-вече със същите lp и Dl. Производителите често предлагат двата типа диоди по двойки, например тези на редове 1 в табл.1 и табл.2, или посочват в каталога подходящия за образуване на "двойка". Значителна част от приемниците представляват ИС с допълнителен усилвател на сигнала от фотодиода (редове 1, 3 и 4 на табл. 2). Като техен параметър е лентата на пропускане (Electrical Bandwidth) BWe на електрическия сигнал на изхода им, а обратният фототок (Reverse Light Current) IL е при мощност Ee на светлинния лъч. Вместо него при ИС с вграден усилвател се ползва един от други два параметъра. Първият е чувствителността (AC Responsivity) Rp, която е изходното им напрежение в mV при входна мощност 1 mW и допълнително зависи от вида на оптичното влакно (при POF е по-малка). Вторият параметър е необходимата минимална мощност на светлинния лъч за нормална работа (Detectable Signal Level) Pc.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю

Новият Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0/2018

Специален брой: Машини, технологии, оборудване за Industry 4.0-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top