САНДЫҚ КОММУТАЦИЯ ЖҮЙЕСІНДЕ ТАЛШЫҚТЫ – ОПТИКАЛЫҚ БЕРУ ЖҮЙЕСІН ҚҰРУ ПРИНЦИПІ

КІРІСПЕ

Қазіргі кезде дамыған елдерде байланыс тораптарының барлық учаскелерінде талшықтық-оптикалық беру жүйелері кеңінен қолданылады. Бұған дейін қолданылып келген және қолданылып жүрген мыс сымдарының негізіндегі кабельдерден тұратын байланыс жүйелерімен салыстырғанда ТОБЖ –ның мынадай артықшылықтары бар: Бір талшықтық-оптикалық тракт бойынша қажетті сандағы каналдар ұйымдастыруға мүмкіндік беретіндей өткізу жолағының жоқ болуы;  абонентке телефон байланысымен қатар, кез келген байланыс қызметін көрсету мүмкіндігінің болуы (теледидар, телефакс, көк жолақты радио барды, телематикалық және сұраныс қызметі, жарнама, жергілікті байланыс, т.б. қызметтерді көрсету); электромагниттік тосқауылдардың жоғары дәрежеде қозғаушылығы; километрлік өшудің аздығы және регенациялық бөлімшелердің ұзындығын ұзақ етіп ұйымдастыруға мүмкін болуы; мыстың айтарлықтай үнемделуі және оптикалық кабель (ОК) құнының потенциялдық төмен болуы, т.б

      Беру станциясындағы электрлік бірінші реттік сигнал беру жүйесінің (БЖ) аппаратураларына беріледі. Оның шығысынан топтық  сигналдар түйіндестіру қондырғысында (ТҚ) беріліп, онда электр сигналы талшықтық- оптикалық  тракт  бойынша беруге ыңғайлы болатын формаға өзгертіледі. Оптикалық беру қондырғысы  (ОБер) оптикалық тасымалдаушыны модуляциялау арқылы электрлік сигналды оптикалық сигналға өзгертеді.Оптикалық сигнал оптикалық талшық (ОТ) бойынша таралғанда оның өзгеруі және бұрмалануы орын алады. Оларда сигналдық бұрмалануы түзетіледі, өшуі  толықтырылады.

1. САНДЫҚ КОММУТАЦИЯ ЖҮЙЕСІНДЕ ТАЛШЫҚТЫ –

ОПТИКАЛЫҚ  БЕРУ ЖҮЙЕСІН ҚҰРУ ПРИНЦИПІ

             1.1. ТОБЖ байланысын ұйымдастыру әрекеттері

   Оптикалық тасымалдаушы сигналды ақпараттық сигналмен модулияциалар,жарықтың интинсивтілігі бойынша модуляциялау (МИ), поляризациялық модулициялау (ПМ) , т.бқолданылуы мүмкін.Көбінесе оптикалық сәуле шығару интенсивтілігі бойынша модуляциялау әдісі қолданылады. Монохроматикалық оптикалық сәуле шығарудың электрлік өрісінің бекітілген кеңістіктік координаттардағы лездік мағынасын былайша жазылуға болады:

                               E (t)=E_m cos(w₁+ν₀) 

   Мұндағы Е_m- өріс амплитудасы,

W₁ жәнеν₀ – оптикалбылайық тасымалдаушының жиілігі мен фазасы. Сонда интенсифтіктің лездік мағынасы былай жазылады:

                            P= E²_m cos² (w₀t+ ν₀)

  Ал T₀₌2π/w периоды бойынша орта мағынаға келтіру Р=0.5E²_m шамасын береді. Бұл шама орташа интенсифтілік немесе орташа қуат делінеді. Интенсифтілік бойынша модуляциялау процесінде С (t) модуляциялаушы сигналға сәйкес осы Р шамасы өзгеретін болады, яғни Р(t)~С(t). Оптикалық сәуле шығару толқындық табиғатқа ие бола тұра, дискреттік кванттар-фотондар түрлерінде жұтылады және сәулеленеді; h - Планк тұрақтылығы. Сондықтан оптикалық сәуле шығару қуатын (Р) фотондар ағынының интенсифтілігі түрінде жазуға болады: J=P/hf₀ Соған сәйкес J(t)~C(t).

  МИ әдісін қолданудың басты себебі – бұл әдісті пересезгілерге қолданылатын жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздерінде (жарық диодтарында, лазерлік диодтарда) кең диапозонда қарапайым техникалық құралдар көмегіен жүзеге асыруға болады.

  Жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздерінің интенсифтілігін өзгерту үшін модуляциялаушы сигналға сәйкес инжекция тогын өзгерту жеткілікті. Токты өзгерту ток күшейткіші сияқты электрондық қоздыру сұлбасы көмегімен жүзеге асырылады. Оптикалық сәуле шығарудың интенсифтілігі бойынша модуляциялау әдісі қолданылғанда оны (оптикалық сигналды) кері электрлік сигналға өзгерту мәселесі де қарапайым әдіс арқылы шешіледі. Шындығында, фотоқабылдағыш құрамына кіретін фотодетектор квадраттық құрал болып табылады, яғни оның шығыс тогы оптикалық өріс амплитудасының квадратына, басқаша айтқанда, фотосезгіш бетке түсетін оптикалық сигнал қуатына тура пропорционал болады.

  Оптикалық сигналды қабылдаудың осы қарастырылған принциптері тікелей фотодитекторлау әдісіне қатысты (когеренттік емес, энергетикалық қабылдау). Қабылдаудың басқа әдісі – фотоығысу (фотосмещение) әдісі болып табылады (когеренттік, гетеродиндік және гомодиндік қабылдау).

  Тікелей дитекторлау әдісімен салыстырғанда, гетеродиндік әдіс күрделі болады. Мұнда гетеродиндік сәуле шығару өрісінің толқын шекарасын сигнал өрісінің толқын шекарасымен беттестіруге тура келеді. Барлық өрісті фотодетекторлау қорытындысында аралық жиіліктегі сигнал ажыратылып алынады. Оның жиілігі, амплитудасы және фазасы қабылданатын оптикалық сигналдың көрсетілген параметрлеріне сәйкес келеді.

  Гомодиндік қабылдаудың гетеродиндік қабылдаудан айырмашылығы – мұнда гетеродин мен беруқондырғысының сәуле шығару жиіліктері бір-біріне дәл келеді. Бұл әдістің қолданылуы сигнал-шуыл қатынасын 3 дБ-ге жақсартады. Бірақ лазерлік гетеродиннің жиілігін фазасы бойынша афтоматты түрде бабына келтіріп отыру (автоподстройка) қажет болатындықтан, гомодиндік әдісті тәжірибе жүзінде іске асыру өте күрделі.

  Қазіргі уақытта ТОБЖ-ның соңғы апаратуралары ретінде берудің цифрлық жүйесі пайдаланылады. Мұның басты себебі – цифрлық беру жүйесінің аналогты жүйемен салыстырғанда бірқатар артықшылығы: тосқауылға төзімділігінің жоғарылығы; беру сапасының желілік тракт ұзындығына тәуелділігінің аздығы; техникалық-экономикалық көрсеткіштерінің жоғарылығы, т.б.

  Оптикалық сәуле шығару көздерінің сызықтық еместігі және тосқауылдан сақтануды қамтамасыз етудің техникалық күрделілігі себебінен әзірше талшықтық-оптикалық трактілерде аналогтық беру жүйесі пайдаланылмайды. Бірақ аналогтық ТОБЖ аймағындағы зерттеулер бірқатар салаларда (оптикалық кабельдік теледидарларда, телеметрияда, оперативтік және қызмет бабы байланыстарында) оның тиімді болатындығын көрсетеді.

  Қазіргі уақытта ТОБЖ екі талшықты, бір жолақты, бір кабельді түрде құрылады. Мұндай құрылымда беру және қабылдау екі талшық бойынша бөлек ұйымдастырылады және толқын ұзындықтары бір ұзындықта болады. Оптикалық талшық екі символдық физикалық тізбектің эквиваленті болып табылады. Оптикалық талшықтардың өзара ықпалы өте аз болатындықтан, әр түрлі жүйенің беру және қабылдау тракттары бір кабель бойынша ұйымдастырылады, яғни ТОБЖ бір кабельді болып табылады.

 Мұндай сұлбаның артықшылығы – беру және қабылдау, аралық және соңғы жабдықтарының бір типте болуы. Айтарлықтай кемшілігі – оптикалық талшықтың өткізу қабілетін пайдалану коэффицентінің төмендігінде.

  Кабельдік жабдықтарға жұмсалатын шығындар ТОБЖ құнының үлкен бөлігін құрайтындықтан, оптикалық кабельдің бағасы қазіргі кезде айтарлықтай жоғары екендігін ескеріп, оптикалық талшық арқылы бір мезгілде берілетін ақпараттар көлемін арттыру арқылы оның пайдалану тиімділігін арттыру мәселесі алға қойылады. Оны шешу үшін бір оптикалық талшық арқылы бір-біріне қарсы бағытта (екі бағытта) ақпараттар беруді ұйымдастыруға болады. Мұндай жағдайларда соңғы станцияларда оптикалық ажыратушы (развязывающие) құрылғылар (АҚ) және желілерде аралық коррекциялаушы күшейткіштер (АКК) пайдаланылады (9.3.-сурет). Мұндай сұлбаның басты ерекшелігі – оптикалық талшықты бір ұзындықтағы толқындар арқылы екі бағытта сигналдар беру үшін пайдалану.

  Екі жақты (дублекстік) жүйенің принципиалдық ерекшелігі- бір-біріне қарсы бағытта тосқауылдардың болуы, өтуші тосқауылдар оптикалық талшықта рэлеевтік кері шашыраулар есебінен дәнекерленіп қосылған орындардан, желілер аяғында разъемдік қосылыстардан шағылысудан пайда болады. Кері шашырау тосқауылдарын тұрақты және жиілікке тәуелді болатын айнымалы түрлерге бөлуге болады. Олардың фотоқабылдағыш құрылғысының сезімділігіне тигізетін әсері әр түрлі. 9.1-кестеде өтуші өшудің А₀ тұрақты құраушысының есептеу қорытындысы келтерелген.

          1.1-кесте

Өтуші өшудің А0 тұрақтықұраушысының есептеу мәндері

λ,мкм	α, Б/км	Талшық үшін Ао, Б/км
		Көпмодты	Бірмодты
0,85	2,3	29	35
1,3	1,0	33	39
1,55	0,3	31	37

Кестеден А₀=39 дБ максимал мағынасы бірмодты талшықта ОВВ λ =1,3 мкм толқынға сәйкес келетінін көреміз.

  ТОБЖ-да ақпарат сигналдары ОК оптикалық кабель бойынша беріледі. Оптикалық кабельдің негізгі элементі оптикалық талшық ОТ болып табылады. ОТ оптикалық мөлдір диэлектрикті дөңгелек өзекшені құрайды. Оның бойым ен жарық толқындары таралады. Оптикалық талшықты басқа механикалық ақаулардан сақтау ұшін оның құрылымын бірнеше элементтерден: қорғау қабығынан, күш элементтерінен, бөлгіш қабықтарынан, сыртқы қорғау қабықтарынан, гидрофобты толықтырғыштардан құрастырады.

  Оптикалық талшықтың құрылымы 9.4-суретте келтірілген.

  Көпмодты талшық (мод-бағытталған толқын) – көптеген толқын түрлерін өткізеді. Оның өзекше диаметрлері 50немесе 62,5 мкм, шағылысу қабықшасынікі – 125 мкм. Ол жергілікті желіде қолданылады және оның беру жүйесіндегі жылдамдығы 400 Мбит/с. Сәуле шығару көзі ретінде суперлюминесцентті диод қолданылады. Ол 850 не 1300 нм толқын ұзындығында сәулеленеді.

          Көпмодты талшыққа әр түрлі бұрышпен түскен сәуле әр түрлі жолдармен таралады.Сондықтан оларды сатылы және градиентті деп бөледі.

  Сатылы және градиентті көпмодты талшықты сыну көрсеткіштерінің кескіні арқылы ажыратуға болады.

  Сатылы кескінді көпмодты талшықты анықтайтын модаралық дисперсия болып табылады, яғни әр түрлі модтың талшық бойынша таралу уақыт айырмашылықтары:

Мұндағы с- жарықтың таралу жылдамдығы.

  Градиентті талшық үшін модааралық дисперсия мәні аз, өйткені аз сыну көрсеткіші ортасында үлкен қашықтыққа таралатын сәуле мен көп сыну көрсеткіші ортасында аз қашықтыққа таралатын сәуленің таралу уақыттары бірдей:

1.2-кестеде әр түрлі толқын ұзындығында таралатын сатылы және градиентті талшық үшін десперсия мәндері келтірілген.

  9.2-кесте

Оптикалық талшықтағы десперсия мәндері

Толқын ұзындығы, нм	Сәуленің шығу көзі	Материалды десперсия, нм/км	Сатылы талшық		Градиентті талшық
			Модаралық дисперсия, нс/км	Жалпы дисперсия, нс/км	Модаралық дисперсия, нс/км	Жалпы дисперсия, нс/км
900	СД Лазер	2,1 0,2	15 15	15 15	0,5 0,5	2,2 0,5
1330	СД Лазер	0,1 0,01	15 15	15 15	0,5 0,5	0,5 0,5
1550	СД Лазер	1,2 0,1	15 15	15 15	0,5 0,5	1,3 0,5

   Көпмодты талшықта мод саны мөлшерленген жиілік немесе талшық V-параметрі арқылы анықталады:

,

Мұндағы π=3,4;

λ-толқынның сәулелену ұзындығы;

d-өзекше диаметрі;

n₁-өзекшенің сыну көрсеткіші.

,

Мұндағы n₂-қабықшаның сыну көрсеткіші.

     Сатылы талшықтағы мод саны анықталады:

M=V²/2

  Ал градиентті параболалық сыну көрсеткішінің екскіні екі есеге аз болады:

                                       M=V²/4

 V>>1 үшін қатынастары дұрыс. Көпмодты талшық үшін  V=50, яғни 1250 мод сатылы талшықта және 625 мод градиентті талшықта.

Модтар өзекше ішінде сақталады және олардың талшық осі бойынша зигзаг түрінде таралуы келесі шарт бойынша анықталады:

Бірмодты талшық (Single Mode Fiber)  8,5-10 мкм диаметрлі өзекшеден тқрады және ол 1300 және 1550 нм толқын ұзындықтарында лазерлі шығу көзін қолданатын кабельді теледидар мен телефон жүйесінде қолданылады.

Мұндай талшықта тек бір ғана мод (сәуленің бір түрі) таралады. Ол сәуле оптикасы бойынша анықталмайды.

           Бірмодты талшықта импульстің таралуы материалды дисперсия арқылы орындалады. Модаралық дисперсия нөлге тең.Мөлшерленген жиілік (V-параметр) бірмодты талшық үшін V≥2,4048. Бұл шарт d мәнін таңдау үшін және нақты бір λ толқын ұзындығына есептелген бірмодты  талшықты алу үшін қолданылады. V=2,4048 Бірмодты талшықпен жұмыс істеуде өзекшенің d максималды диаметрін қолданамыз.

    Бірмодты талшықтағы мод дағының (пятна) диаметрі келесі қатынаспен анықталады:

=d(0,65+1,619V^-1,5+0,87^-6)

Бұл жерде:

V=₁λ^-1(2)^1/2-1NA,

мұндағы NA -талшықтың сандық апертурасы;

    d=8,3мкм.

NA=0,13 стандартты бірмодты талшықта толқын ұзындығы  λ=1,55мкм болатын мод дағы. λ=9,5Мкм.

  Оптикалық қуаттың негізгі бөлімі өзекшенің сыртында таралуы салдарынан, бірмодты талшықтың қабықшасы өзекше сияқты өте аз жоғалуды көрсетеді.

λ_cтолқын ұзындығы (отсечки) келесі мәнмен анықталады:

λ_c=₁

λ>λ_c  -талшық кез келген толқын ұзындығында, барлық уақытта бірмодты болады;

λ>λ_c  -талшық көпмодты болады.

 NA апертурасы деп сәулелер (мод) өзекше ішінде сақталып тұрған кездегі үлкен  бұрышындағы синус орындалатын конусты құрайтын жарық өткізгіштің қабықшасына түскен бұрыш пен оптикалық ось аралығын айтады:

                                NA =

n₁ және n₂-нің бір-бірінен айырмашылықтары шамалы ғана:

Сонда:

NA=

   NA және  талшықтың ең негізгі сипаттамалары болып табылады.

  Байланыс жүйесінде қолданылатын талшық үшін сандық апертура  0,1-0,2 аралығында болады, яғни α 5,7-11,50 бұрышына сәйкес.

  ТОБЖ-ның спектральдық бөлінетін ТОБЖ-СБ түрі (ВОСП-СР) ерекшелеу болып табылады. Мұндай жүйелер бір талшықты көп жолақты бір кабельді түрде құрылады (9.8-сурет). N беру жүйесінен толқын ұзындықтары   λ₁, λ₂, … λ_nболатын электрлік сигналдар оптикалық тасымалдаушылар дайындайтын сәуле шығарғыштарға беріледі.

 ТОБЖ-ның спектральдық бөлінетін ТОБЖ-СБ түрі ерекшелеу болып табылады (ВОСП-СР). Мұндай жүйелер бір талшықты көп жолақты бір кабельді түрде құрылады (9.8-сурет). беру жүйесінен толқын ұзындықтары  λ₁, λ₂, … λ_nболатын электрлік сигналдар оптикалық тасымалдаушылар дайындайтын сәуле шығарғыштарға беріледі. МП-мультиплексорлар және ДМ – демультиплексорлар көмегімен тасымалдаушы оптикалық сәулелер беру жағында бір оптикалық талшыққа беріліп, қабылдау жағында одан бөлініп алынады. Осылайша, бір оптикалық талшық арқылы спектральдық бөлігін  оптикалық канал ұйымдастырылып, физикалық шықтың өткізу қабілетін пайдалану коэффициенті айтарлықтай арттырылады. Мұндай жүйенің құрылу мүмкіндігі оптикалық кабельдің өшу коэффициентінің пайдаланылатын спектральдық диапазон шегінде, оптикалық тасымалдаушының жиілігіне (немесе толқын ұзындығына) аз дәрежеде тәуелді болатындығына негізделеді.

   Мультиплексор мен демультиплексорлардың жұмыс істеу принциптері – дисперция, дифракция және интерфракция сияқты белгілі физикалық оптика құрылыстарына негізделген.

            Мультиплексор – екі жағынан өзектік линзалармен қысылған көп қабатты диэлектрлік құрылым.

  Линзалардың шеткі ұштарының (торцевые) беттері сәуле жұтатын диэлектрлік қабаттармен жабылған. Линзаның және талшықтың оптикалық өрістері бір-бірінен ығысқан. Көп жағдайда бұл құрылғы мынадай сипаттамаларға ие болады: толқындар саны 2–ден 6–ға дейін, тура шығындары 2:5 дБ, өту өшуі 20:40дБ, толқын ұзындықтары арасындағы интервалдар 30-100 нм. Дифракциялық торға негізделген мультиплексорларда (9.10-сурет) шағылыстырушы типтегі дифракциялық тор арқылы өтетін сәуле дифракциясы бұрышының толқын ұзындығына тәуелділігі пайдаланылады. Осыдан барып, оптикалық талшық ұшын әр түрлі ұзындықтардағы толқындарға сәйкес жарық таңбасы пайда болатын орындарға орналастыру арқылы жарық толқындарын ұзындықтарына қарай ажыратып алуға болады. Конструктивтік тұрғыдан мұнадай МП былай орындалады:

  Өзектік линзаның бір қырына (торец) шағылыстырушы дифракциялық тор жапсырылады. Сүзгінің ажыратушы қасиеті дифракциялық тордың толқын ұзындығы және кіріс-шығыс оптикалық-талшықтардың диаметрлері бойынша таңдап алу қасиетімен анықталады. Өткізу жолағының кеңдігі өзекше диаметріне тура пропорционал болады. Сондықтан оны кеңейту үшін кіріс және шығыс оптикалық талшықтардың диаметрлерін үлкен етіп алады. Дифракциялық торларға негізделген мультиплексорлардың мынадай сипаттамалары бар: мөлдірлік жолағы – 20 нм., тура шығындары  4дБ-ден көп емес, өту өшуі – 40дБ.

  Оптикалық талшық ішіндегі оптикалық энергияның жоғары тығыздығы сызықтық емес эффектісінің айтарлықтай дәрежеде байқалуына апарып соғады. ТОБЖ-де олардың арасынан анығырақ байқалатыны – комбинациялық шашырау салдарынан туындайтын күшейту эффектілігі (УВКР).Ол оптикалық тасымалдаушының талшық заттарының оптикалық фотондары арасындағы резонанстық өзара әректтері себебінен пайда болады.

     УВКР эфектісінің қорытындысында әртүрлі оптикалық каналдардың сигналдары арасында өзара әрекеттер пайда болады.Соның есебінен толқын ұзындықтарындағы кіші оптикалық тасымалдаушвылардың қуаты кеміп, толқын ұзындықтары үлкен оптикалық тасымалдаушылардың қуаты артады.ТОБЖ-СБ-дегі УВКР эфектерінен пайда болатын айқасушы (перекрестные) тосқауылдар сигнал-шуыл шартты қатынасымен сипатталады.

                        С/Ш=101gР₁/-₁^,

Мұндағы Р₁- талшық ішіндегі бір оптикалық тасымалдаушының оптикалық сигналдарының оптикалық сигналдарының уақыты.

   Р^,₁-УВКР тосқауылы бар кездегі сондай қуат.

   Р₁-Р₂ шағылысу қуатында  λ=1,55 мкм,ұзындығы 50км екі каналды ТОБЖ-СБ үшін сигналшуыл қатынасының енгізілетін сәуленің қуатына тәуелділігі және енгізілетін сәуленің Р_і қуатының әр түрлі деңгейлеріндегі оптикалық тасымалдаушының  алшақтарына тәуелділігі көрсетілген.

    Тәуелділіктерге талдау жасай отырып,ТОБЖ-СБ-де сәуле шығару қутының шамалы (20 дБ артық) деңгейінде- ақ (бірнеше милливатт) УВКР тосқауылын айтарлықтай дәрежеде төмендетуге болатынын көреміз,(егер спектральдық тасымалдаушылардың алшақтығы 1 нм-нен аспаса).Мұның өзі ТОБЖ-СБ-де мультиплексорлар мен демодуляторларды, сондай-ақ толқын ұзындықтары бойынша жоғары шешуші қабілеті бар сәуле шығарғыштарды пайдалануың тиімділігін көрсетеді. Бұл айтылған шарт тасымалдаушыларының алшақтығы минималды болатын энергетикалық потенциалға және жүйенің кең жолақтығына негізделген ТОБЖ-СБ құрудың нұсқауымен үйлеседі.

    УВКР-ге негізделген сигнал-шуыл (С/Ш) қатынасының өзгеруі оптикалық талшықтың бастапқы бөлімшесінде көбірек байқалады және іс жүзінде берілетін сигнал қуатының деңгейіне тәуелді болмайды. Талшық ұзындығы 15 км-ден асқасын  УВКР эффектісінің ықпалы тұрақтанады.

1.2. Талшықтық-оптикалық байланыси желісіндегі тығыздау әдістері

Оптикалық талшықты ақпараттық  сигналды  тарату ортасы ретінде пайдалануда тығыздаудың уақыттық, жиеліктік және спектральдық әдістерін пайдалануға болады.

  Уақыттық тығыздау.Бұл әдіс бірнеше ақпараттық ағындарды біріктіруді қарастырады.Біріктіру электрондық аппаратуралар деңгейінде орындалуы мүмкін.Электірлік сигналдар деңгейлерінде біріктіруде (сигнал көзі N ьолуы мүмкін) біріктіруші құрылғы (БҚ) көмегімен белгілі бір кезектесу тәртібімен топтық сигналға біріктіріледі.Топтық сигнал оптикалық беру қондырғысында оптикалық тасымалдаушыны модуляциялайды.Оптикалық  сәуле оптикалық талшық бойымен таралып,оптикалық қабылдағышқа жетеді де, онда қайтадан электірлік сигналға түрленеді. Сосын ол исигнал бөлу  құрылғысыя (БҚ)арқылы екі импульстер сериясына ажыратылады және олар А^, , В^,шығыстарына беріледі.

   Оптикалық цифрлық  ағындарды біріктіру сұлбасы 9.13-суретте көрсетілген.N апарат көзінен оптикалық цифрлық ағындар N оптикалық беру қондырғысына беріледі. Оларда электрлік сигналдар оптикалық сигналдарға түрленеді. Оптикалық сигналдарды біріктіру алдында олардың әрқайсысы t уақыттарына тежеледі.

    Осындай тежелуден  кейін оптикалық қосқыш (смеситель) шығысында оптикалық импульстер тізбектілігі алынады. Қабылдау жағында бұған кері процестер жүргізіледі.

  Уақыттық тығыздау әдісінде оте қысқа (10^-9с және одан да қысқа) жарық импульстерін беруге тура келеді. Ондай импульстерді беру ТОБЖ беру және қабылдау аппаратуралары оптоэлектрондық бөліктерінің тез әрекеттілігін  өте жоғары талаптар қояды. Ол талаптар құралдардың шектік мүмкіндіктеріне жақын. Сонымен қатар, беру жылдамдығы (кең жолақтығы) оптикалық талшықтық дисперсиялық қасиетімен шектеледі.

  Уақыттық тығыздаудың негізгі артықшылығы:оптикалық талшықтың өткізу қасиетін пайдалану коэфициентінің артуы (Гбит/с жылдамдықпен беруде тәжірибе жүзінде қол жеткізілген); толық оптикалық байланыс торабын жасауға мүмкіндіктің болуы.

   Кеңістіктік тығыздау. Бұл әдіс оптикалық талшықтардың майысуға ыңғайлығы және өлшемдерінің шағындылығы сияқты артықшылығын пайдаланады.Ол үшін құүрамында көптеген талшықтар болатын оптикалық кабельдер жасалынады. Мұндай әдісте ТОБЖ саны опт икалық кабельдегі талшықтар санына тең, демек өткізу қабілеттілігі сол оптикалық талшықар санымен анықталады (9.14-сурет).

   Кеңістік тығыздаудың кемшілігі- оптикалық талшықтардың көп жұмсалуы,кабель тартуға жұмсалатын шығынның артуы, демек кабельдік тракт құнының жоғары болуы.Магистральдық ТОБЖ үшін 1 кан км құны  негізінен кабель құнымен анықталады. Бұл әдіс техникалық-экономикалық тиімділіктің жақсаруын қамтамасыз етпиді.

    1.3. Кеңістіктік тығыздау принципі

   Жиіліктік тығыздау.Мұндай жүйеде әр түрлі ақпарат көздерінен келет ін сигналдар үшін желілік трактта оларға сәйкес жиелік жолақтары бөлінеді.Мұндай жағдайда желілік топтан сигнал алу үшін жақын орналасқан оптикалық тасымалдаушы сигнал қажет болады.

  Бірақ жартылай өткізгіштік лазердің сәуле шығару сызығының,әсіресе  жоғары жылдамдықты модуляциялауда тұрақсыздығы, көрші каналдардың  жұмысшы толқын ұзындықтарының  арасындағы спектр бойынша қашықтығының ақпараттық сигналдың жолағынан көптеген есе үлкен болуына апарып соғады.Сондықтан ТОБЖ –да жақын орналасқан спектральдық каналдар алу үшін әр түрлі тасымалдаушылар алынады. Бірақ олар әр түрлі көздерден емес, ығыстыру арқылы бір оптикалық тасымалдаушылардан алынады.

   Құрамында f ₁, f ₂,f ₃,.....f_n  тасымалдаушылар  қатары бар оптикалық сәуле лазерлік сәуле шығару көзінен (СШ)А₁  анализаторына келіп оралады. Ширек толқындық призмадагн екі рет өткен оптикалық сигналдық поляризациялық жазықтығы алғашқы тербеліс жазықтығымен салыстырғанда ұрышына өзгереді.Сондықтан ол негізгі жарық тобынан ауытқып, оданг шығып кетеді.Жалпы сигнал одан әрі А₂ анализаторына түседі, процесс f₂ жиелігі үшін қайталанады.Осылайша, оптикалық байланыс желісіне берілетін оптикалық топтық сигнал құрылады.

   Қабылдау принципі модуляцияланған оптикалық сигналдар қатарынан тұратыни оптикалық  топтық сигнал А₁ анализаторына беріледі .Сосын ширектолқындық призмадан,бірінші канал сүзгісінен өтіп,оптикалық араластырғышқа (OA) беріледі.сүзгісі тек жиіліктегі оптикалық сигналды өткізеді. Қалған сигналдар шағылысыа ,А₂ анализаторына беріледі. ₁  жиіліктегі оптикалық модуляцияланған сигнал ОА-да жергілікті гетеродин жиілігімен араластырылады.Араласқан жиілікпен жолақты сүзгі ЖС(ПФ) арқылы  f_пр  аралық жиелігіндегі сигнал бөлініп шығарылып, ол ФД фотодетекторына беріледі.Осылайша , қабылдау гетеродиндік қабылдау есебінен регенерациялық бөлімше ұзындығы 100÷200км-ге дейін артады;оптикалық талшықтың өткізу жолағын пайдалану коэффициенті артады.Кемшілігі- бұл әдісте қабылдау мен беру оптикалық тракттарында поляризацияны сақтау қажет, ол үшін көптеген қосымша құралдарды (жиіліктерді ығыстырушылар,оптикалық вентильдер, поляризация бақылаушысы,оптикалық күшейткіштер, жиіліктерді автоматты түрде баптаушылар, т.б) пайдалану қажеттілігі пайда болады.Бұларо жүйені күрделендірумен қатар, оның құнын да жоғарылатады.

  Спектральдық тығыздау әдісі бұдан бұрын қарастырылған болатын. мБұл әдістің болашағы тиімдірек деген қорытындылар бар.

1.4.Беруші және қабылдаушы оптикалық модульдер

Беруші оптикалық модуль.ТОБЖ оптикалық беру қондырғылары мен қабылдағыштары модульдер түрінде жасалады.Модуль құрамына оптикалық сәуле шығару көздері мен  қабылдағыштары, электр сигналдарын өңдейтін электрондық сұлбалар кіреді.

   Оптикалық сәуле шығару көздеріне мынадай талаптар қойылады: сәуле толқындарының ұзындығы оптикалық талшықтың спектральдық шығынының минимумдерінің біреуіне дәл келуі тиіс. Сәуле шығару көзінің сконструкциясы сәуле шығарудың айтарлықтай жоғары қуаты және сәуленің оптикалықталшыққа енуінің тиімділігін қамтамасыз  етуі тиіс; сәуле шығару көзі сенімді болып, қызмет ету мерзімі ұзақ болуы тиіс;дайындау технологиясы оның құнының аса жоғары болмауын және сипаттамасының жоғары дәрежеде қайта  қалпына келуін қамтамасыз ететін болуы тиіс.

     ТОБЖ үшін оптикалық  сәуле шығару көздерінің планарлық жартылай өткізгіш,талшықтық және көлемдік микрооптикалық  (микролазерлер) сияқты үш класы болатыны белгілі. Бұлардың үшеуі белгілі бір дәрежеде жоғарыда келтірілген талаптарды қанағаттандырады. Бірақ тек планарлық жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздеріне жататын жарық шығарушы (СИД) және  лазерлік диодтар (ЛД) реальдық сұлбада кеңінен қолданылады.Олар оптикалық талшықтың минималды шығынымен сипатталатын және оптикалық талшыққа жеткілікті болатындай үлкен қуат  (0,8÷2 Вт)енгізуге мүмкін болатын 0,8÷1,6 мкм толқын ұзындықтары диапазонды жұмыс істейді.

       СИД-те тура өтулі жартылай өткізгіштік материалдағы р-n өту аймағына оң ығысу берілген жағдайда спонтандық эмиссияның пайда болу есебінен сәуле шығарылады. Кез келген электрон бір энергетикалық деңгейден басқа энергетикалық деңгейге өткенде спонтандық  оптикалық сәуле пайда болады. f – сәуле шығару жиілігі энергетикалық деңгейлер айырмашылығымен (Eq), яғни тыйым салынған энергетикалық зона кеңдігімен анықталады:

,

 Мұндағы h-Планк тұрақтылығы; 

с- вакуумдегі жарық жылдамдығы.

     Барлық электрондардың бір энергетикалық деңгейден екіншісіне өту уақыттары бір-біріне дәл келмейтін болғандықтан, сәулелердің бір-біріне үстемеленуі (наложения) орын алады және  амплитудалары мен фазаларының ибірдей еместігі пайда болады. Осы себептен сәуленің жиілік бойынша біртекті еместігі орын алады.

      Сонымен қатар,Eqэнергияның өте әлсіз тербелісі де сәуленің жиіліктік бойынша шашыранды болуына ықпал етеді. Бұл функциялар сәуле шығару спектрінің белгілі бір кеңдігіне ие болуына апарып соғады (9.17-сурет). Мағынасы  сәуле шығару көзінің  монохроматикалық қасиетін сипаттайтын параметр ретінде пайдаланылады. Спонтандық сәуле шығару төменгі монороматикалық  когеренттік емес сәуле шығаруға ие болады.

Сәуле шығару спектрінің кеңдігімен қоса, сәуле шығару көзінің  негізгі смпаттамаларының қатарына ватт-амперлік сипаттамасы, модуляциялау жиілігінің максималдық мағынасы, қызмет ету мерзімі және сенімділігі жатады.

Сәуле шығару қуатының инжекциясы тоғына тәуелділігі 9.18-суретте көрсетілген. Бұл сипаттамалардың ерекшелігі-тәуелділіктің іс жүзінде сызықтылығы Р=f(Iu). Мұның өзі оптикалық сәуле шығаруды модуляциялау үшін берудің аналогтық  жүйесін пайдалануға мүмкіндік береді.

    9.19-суретте СИД сәулешығаруының спектральдық таралуы көрсетілген.Әдетте, беттік сәуле шығарушы СИД үшін сәуле шығару сызығы шамамен λ=0,85мкм болғанда енділігі 0,04 мкм-ге дейінгі гаусстық формада,ал мүйістік сәуле шығарушы үшін λ=1,3 мкм болғанда енділігі 0,09 мкм-ге дейінгі гаусстық формаға ие  болады.

     Модуляциялаудың  максимал жиілігі

f_maх=1/(2π τ_u η_вн)

мұндағы η_вн-жартылай өткізгіш материалының ішкі кванттық тиімділігі;

τ_u-сәуле шығарушылық өтуден туындайтын  негізгі тасымалдаушы еместердің өмір сүру уақыты.

     Мүмкіндігінше сәуле шығару уақытын τ_u азайту керек.Сонда модуляциялаудың төменгі жиіліктерінде де,жоғары жиілік шекарасында да η_вн мағынасы артады.η_вн мәнін қоспалау дәрежесін және инжекция деңгейін жоғарылату  арқылы да арттыруға болады. Мысалы,мүйістік типтегі СИД –те кванттық тиімділігін өмендетпестен, беттік сәуле шығару типтегі СИД-пен салыстырғанда 4 есе артық модуляциялау жолағын (100 МГц)алуға болады.

СИД-тің барлық параметрлеріне ұзақ пайдалану нәтижесінде сәуле шығару қуатының біртіндеп азаю қасиеті тән.Тәжірибе арқылы жұмыс істей бастағаннан  кейінгі біршама уақыттан соң  қуат әдеттегідей  экспоненциалдық заң бойынша төмендейтіні дәлелденген:

                                           Р(t)=P(O) e^-t/сл,

Мұндағы tсл=AJ_u^-me^-eсл(КТ) – СИД-тің қызмет ету (деградациялық) мерзімі.

    А және m шамалары-тұрақты шамалар,олар СИД материалдарымен және құрылымымен анықталады.Әдетте m=1÷2 болады да, токтық артуына байланысты арта түседі;

e_сл-  активациялық энергиясы температура 10÷20^оС-қа артқанда қызмет ету мерзімін t_сл екі есеге төмендетеді.ТОБЖ-да пайдалану үшін  СИД қызмет ету мерзімі жер бетіндегі кабельдер үшін – 10⁵ сағат, су асты   кабельдері үшін 10⁶ сағат болуы тиіс.

    Жартылай өткізгіштік лазерлік диодтар когеренттік жарық көзі болып табылады.Олардың жұмысы жартылай өткізгіштің көлемдік  резонатормен қамтылған спонтандық сәуле шығаруына негізделген. Ток тығыздығын төмендетуге және басқа да  сипаттамаларын жақсартуға бір жақты (ОГС) және екі жақты (ДТС) шектеулер қолданылатын көп қабатты жартылай өткізгіштер гетереқұрылымдарды пайдалану арқылы қол жеткізіледі.Оларда I_n  шамасын 1 ÷2А/см²-ге дейін төмендетуге мүмкіндік болады.

   Егер кең контактілі ОГС немесе ДГС қолданылатын лазерлік диодтың (ЛД) инжекция тогын барлық бет бойынша арттырса, онда алдымен 1÷2 мкм кеңдігі бар шағын ауданда генерация пайда болады. Токтың артуына байланысты ондай «жанатын» аймақтар көбейіп, олардың әрқайсысы өз бетінше генерацияланатын аймаққа айналатын сияқты болады. Мұның өзі шуылдың және шығынның артуына апарып соғады, сәуле шығарудың тұрақсыздығы пайда болады.

   Іс жүзінде бір генерациялау каналының болғаны дұрыс. Оған активті аймақты резонатор бойында тар жолақпен шектеу арқылы қол жеткізуге болады. Мұндай ЛД-ларды жолақтық геометриялы лазерлер деп атайды. Оларда  I_n-ны 500 мА/см² шамасына дейін азайтуға болады және сәуле шығарушы аймақтың ауданын оптикалық талшыққа тиімді түрде сәуле енгізуге болатындай шамада жасауға болады. Сонда NA апретуралар саны азайып, сәуле шығару тұрақтылығы артады.

   Лазрлік диодтардың байланыс жүйесінде және ақпарат беруде пайдалану мүмкіндігін анықтайтын негізігі сипаттамаларына мыналар жатады: сәуле шығару қуаты және оның инжекция тогына тәуелділігі, сәуле шығаруғабағытталуының диаграммасы, сәуле шығару спектрі және қызмет ету мерзімі.

   Инжекция тогының аз шамасында спонтандық сәуле шығару байқалады. Құрылымдағы шығын күшейтумен салыстырылатындай дәрежеге  жеткенде лазерлік құбылыс орын алады да, мәжбүрлік сәуле шығару әрекеті байқалады. 9.20-суреттен көретініміздей, ватт-амперлік сипаттама айтарлықтай сызықтық емес. Сондықтан ватт-амперлік сипаттаманы сызықтық түрге келтірілген арнайы шара қолданбастан, лазердің инжекциялау тогын аналогтық сигналды өзгерту көмегімен шығыстық сәуле шығаруды модуляциялау іс жүзінде пайдаланылмайды.

   Әдетте, лазердің инжекция тогын, оған сәйкес шығыстық оптикалық қуатты импульстік әдістермен мудуляциялайды. Тек лазерлік диодтарға тән мынадай бір қасиетті атап көрсеткен жөн: қоршаған орта температурасы өзгергенде ЛД ватт-амперлік сипаттамасында ығысу орын алады. Бұл құбылыс табалдырықтық тогтың және шығыс қуатының өзгеруіне апарып соғады. Бұл кемшілікті жою үшін толықтыру (компенсация) сұлбалары, сондай-ақ микротоңазытқыштар жұмысын басқаратын термокомпенсация сұлбалары пайдаланылады. ЛД-бар сақина ішіне – лазер, модулятор, кері байланыс фотодиодтары, лазер жүйесін тұрақтандыратын электрон сұлбасы орналасады. ПОМ – жасау кезінде шешілуге тиісті басты мәселе – жартылай өткізілетін лазерлердің шығыстық қуатын тұрақтандыру қажет.

Оптикалық беру модулі. Сәуле шығару көзі келесі талаптарды қанағаттандыруы қажет;

   -сәулелену толқын ұзындығы бір мөлдірлік терезеге сәйкес келуі керек;

  -сәуле шығару көзінің құрылымы шығу көзінің үлкен қуатын және оны оптикалық талшыққа эффективті енгізуді қамтамасыз ету қажет;

  -шығу көзінің сенімділігі жоғары және қызмет ету мерзімі үлкен болуы қажет;

  -өлшемі, салмағы және қолданылатын қуаты минималды болуы керек;

  -технология қарапайымдылығы жоғарғы өнімділікті беру керек.

  Оптикалық беру модулі (ОБҚ) ретінде ЖАД жарық өткізгіш диод (СИД) және лазерлі диод (ЛД) қолданылады. Оларды сәуленің спектрлік ені бойынша ажыратады.

Жарық өткізгіш диод (СИД). Оптикалық беру қондырғысының жұмыс істеу принципі активті қабаттағы заряд тасымалдаушыларының рекомбинация құбылысына негізделген.

Рекомбинация – бұл қарама-қарсы иондардың қозғалу құбылысы, яғни қарама-қарсы заряд тасымалдаушыларының бір-біріне қақтығысында бос тасымалдаушылардың жоғалуы.

2. ОПТИКАЛЫҚ БЕРУ ҚҰБЫЛЫСЫНЫҢ ҚҰРЫЛЫМЫ

  Электронды саңылаулы өткелге тура араласты орнатса, онда электрондар саңылаулар арқылы пассивті қабаттан активті қабатқа ауысып, жарық сәулесімен бірге спонтандық рекомбинацияны құрайды. Сондықтан СИД шығысындағы сәулелену (излучение) когерентті емес және әлсіз бағытталған болады. Сәулелену спектрінің ені λ=20-40нм болады.

Лазерлі диод ЛД когерентті жарық өткізгіш болып табылады. Активті орта ретінде жартылай өткізгіш қолданылады. Тығыздау қондырғысы ретінде электр энергиясы қолданылады. Ал резонансты жүйе ретінде айна қолданылады.

  Жартылай өткізгішке енгізілген кернеу әсерініе өткізгіште тасымалдаушылардың өзіндік қозғышы пайда болады. Соның салдарынан жарық энергиясының пайда болу әсері мен фотон ағындары пайда болады.

  Бұл ағын резонансты жүйе айнасынан бірнеше рет шағылысып, тура бағытталған диаграммалы лазерлік сәулені құрайды.

ЛД және СИД салыстырмалы кестесі

Шағылу көзі	Қуат	Спектр ені	Қызмет ету мерзімі
ЛД	(10-40) мВт	(1-3) нм	104-105
СИД	(5-20) мВт	(30-50) нм	105-106

Спектральды сипаттамасы және бағыт диаграммасы 9.23-суретте көрсетілген.

2.1.СИД және ЛД сипаттамалары

Бағыт диаграммасы – сәуленің шығу көзінің энергетикалық тығыздығындағы жарықтың таралу бұрышы. Жарықтық сәуле шоғырының аралығында тұрақты болмайды. Ол шоғыр осьіне тұрақты және ось пен өсу бұрышын құрайтын бағыт бойымен нақты бір заң бойынша кеміп отырады.

Егер шығу көзінің бет өлшемі оптикалық талшықтың өзекше диаметрінен үлкен болса, онда шағылу қуатының бір бөлігі оптикалық талшық бойына таралмайды, қоршаған ортаға таралып кетеді. СИД енудегі жоғалу (10-16) дБ құрайды, ал ЛД ену (5-7) дБ құрайды.

  СИД артықшылықтары: қарапайым,арзан, ұзақ мерзімге шыдамды, параметрлері қоршаған орта температурасына шыдамды. Бірақ шоғырдың (пучка) көптігі, сәулеленудің когерентті еместігі, сәулелену спектрінің кеңдігі, шектелген шапшаңдығы қолдану аймағын тарылтады. Олар аз және орташа арақашықтықты байланыс желісінде қолданылады.

  Оптикалық беру қондарғысының элементтері ОБМ (ПОМ) оптикалық беру модулінің қондырғысында жиналады.

  Қабылдаушы оптикалық модульдер. Қабылдаушы оптикалық модульдің (ПрОМ) негізгі бөлігі – фотодетектор қызметін атқаратын фотодиод болып табылады. ТОБЖ фотодетекторының қызметі – кірістегі оптикалық сигналды электрлік сигналға қайта түрлендіру.Қайта өзгертілген сигнал фотоқабылдағыштың электрондық сұлбасында өңделеді. Фотодетектор оптикалық сигнал пішінін оған ешқандай қосымша шуыл енгізбей, қайта қалпына келтіруі тиіс, яғни талапқа сай келетін кең жолақтылығы, динамикалық диапазон сезгіштігі, аса үлкен емес, бірақ талшыққа сенімді түрде қосуға орта параметрлерінің өзгеруіне тәуелсіз, сондай-ақ қызмет ету мерзімі ұзақ және бағасы төмен болуы тиіс. Жартылай өткізгіштік фотодиодтар, айтылған талаптарға толықтай сәйкес келеді.

Жартылай өткізгіштік фотодиодтың жұмысы ішкі фотоэффект құбылысына негізделген. Жұтылған фотон жаңа екі эаряд тасымалдағышты – электронды және саңылауды туғызады. Басқаша айтқанда, атомда жұтылған фотон-электронды қоздырып, оны валенттік зонаға немесе қоспалдық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстырады. Мұндай өтулер жартылай өткізгіштің электрлік сипаттамасын өзгертіп, электрлік сигналдардың құрылуына жағдай жасайды.

   2.2. Оптикалық сәулелену дисперсиясы

  Жартылай өткізгіштің жоғары тез әрекеттілігі және өзіне түсетін сәулені тиімді жұтушылығы қоспалық жұтушылық құбылысымен байланысты, сол себептен қазіргі кезде ТОБЖ-ға арналған фотодетекторлар қоспалық жұтушыжартылай өткізгіштер негізінде жасалады.

Hf энергиялы жарық квантын жұту қорытындысында диодтың сыртқы тізбегінде ток импульсі жүретін болады. Егер әрбір жұтылған квант электрон саңылау жұбын туғызатын болса және заряд тасымалдаушылар p-n өту қабатынан өтетін болса, онда оптикалық сәуле шығару қуатының (N) энергия квантына (hf) қатынасының тасымалдаушы зарядының (q) шамасына көбейтіндісімен анықталатын тасымалдаушылар саны – жүк арқылы өтетін орташа токты анықтайды:

                            RH:J = qN = qP/hf

  Әдетте, жұтылатын барлық жарық кванттар ток импульстерінің пайда болуына себеп бола бермейді. Сондықтан фотондардың электр тогына өзгерту тиімділігін сипаттайтын коэффициентін ескеру қажет. Бұл коэффициент фотодетектордың кванттық тиімділік коэффициенті деп аталады.

  Сонымен, жалпы жағдайда жүк арқылы өтетін орташа ток мына қатынаспен анықталады.

                                       J = nqP/ηf

  Электрондық-саңылаулылық жұп жасалу үшін жұтылатын кванттың  hf энергиясы электронды валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауыстыра алатын шамада болуы тиіс, яғни hf ≥Eq шарты орындалуы тиіс.

  Германийден жасалған фотодиод – 1,8 мкм, кремнийден жасалған фотодиод – 1,2 мкм, галий арсенидінен жасалған фотодиод 0,87 мкм ұзындықтағы толқындарда жұмыс істейді.

  Кванттық тиімділігімен қатар, фотодиодтардың негізгі сипаттамаларына уақыт тұрақтылығы және сезгіштігі жатады.

  Фотоқабылдағыштың уақыт тұрақтылығы оның тез әрекеттілігін сипаттайды және мынадай көптеген параметрлерге тәуелді болады: заряд тасымалдушылардың қозғыштығына, жұтаң зоналардың еніне (кеңдігіне), жарық толқынының ұзындығына, сондай-ақ заряд тасымалдаушылар электр өрісінің әсерімен қозғалама немесе диффузия әсерімен қозғала ма – соған да тәуелді болады.Фотоқабылдағыштың уақыт тұрақтылығын білу арқылы фотодетектордың өткізу алабының кеңдігін анықтауға болады: f_np=0,4/τ. Бұдан τ аз болған сайын өткізу алабының кеңейе түсетінін көреміз.

  Фотодиодтың уақыт тұрақтылығы диффузия уақытына және жұтаң зонаның өту уақытына тәуелді болады. Сондықтан р-қабатының және p-n өту қабатының қалыңдықтары маңызды параметрлер болып табылады. Жалпы бағыт бойынша n және р аймақтар қалыңдығын арттыруға ұмтылады. Бұл мақсат орындалғанда кванттық тиімділік те артады.

  Қалың жұтаң қабат әр түрлі әдістермен жасалады. Көбінесе р немесе n аймақтары қоспаланған (легированный) і-қабаты арқылы қалыңдатылады немесе і-қабаты орнына жартылай өткізгіштің өзінің  қабаты пайдаланылады.

  Фотоқабылдағыштың сезгіштігі жарық қуатын электр тогына айналдырудың толық пайдалы әсер коэффиценті болып табылады (фототоктың орташа мағынасының оптикалық қуатының орташа мағынасына қатынасы):

                                       S = J/P,A/Bm;

                                        S = γq/(hf)

  Бұдан   γ–кванттық шығыс артқан сайын фотоқабылдағыш сезгіштігінің арта түсетінін көреміз, яғни, активтік зонада жұтылатын жарық ағынының үлесі артқан сайын қабылдағыштың сезгіштігі артады.

  Талшықтық оптикалық беру жүйесінде p-i-n негізіндегі фотодетекторлар   - PN фотодиодтары және қарқынды (лавинный) фотодиодтар шығысында оптикалық сигналдың қуатына сәйкес фототок жүреді.

  Жалпы алғанда, фототок зарядтары бар жеке тасымалдаушылардан тұрады. Әрбір заряд тасымалдаушы өзінің электродтар арасында жүріп өтетін уақытына тең болатын импульстер туғызады. Сондықтан тұрақты немесе айнымалы оптикалық сигналмен фототокқа тұрақсыз тербеліс қосылады. Оның В аймағындағы v модуляция жилігінде спектралдық құраушылар орташа квадраттық мағынаға ие болады:

                                        2qJ/ Г()²/B,

мұндағы Г()²  көбейткіші тасымалдаушылар дрейфінің есебінен тербелістің әлсірейтінін көрсетеді. Ол дрейф уақытына сәйкес мына формуламен анықталады:

                                      Г() =(1-E^-iτд) / (i τ_д)

 Осылайша, тұрақсыз тербеліс бөлшектік (дробовые) шуылдар туғызады. Бұл шуылдардың спектральдық таралуы f=1/τ_д  жиілігіне дейін бір қалыпты болады, тек жоғарғы жиіліктерде дрейф уақытының аяқталуына байланысты олар азаяды. Бұл құбылыс сондай дәрежеде сигналдың да әлсіреуіне ықпал етеді.

  Бөлшектік шуылдар қолданылатын оптикалық ағынның I фототогына ғана емес, сондай-ақ онымен бір мезгілде берілетін шуылдық (фоновый) түрдегі I_p–шашыраушы (рассеяние) фототокқа да әсер етеді. Сонымен қатар, заряд тасымалдаушылардың термиялық қоздырылуына пайда болатын  I_т-қараңғылық тогынан да бөлшектік шуылдар туындайды.

  Тұтас алғанда бөлшектік шуылдың фулктуациялық тогының орташа квадраты:

J²_ш= 2q(J+J_p+J_T) (Г()/²B

  Қарқындық фотодиодтарда ток М мәрте күшейтілсе, оның фулктуациясы да сол шамаға артады. Мұндай ағдайда фулктуация квадратының орташа кыадраттық шамасы:

J²_m=2q(J+J_p+J_T) (T ())²B/M ()/²B,

мұндағы, М() айнымалы токтың күшейтілуін белгілейді, қарқындық фотодиодтар үшін ол:

                                           M()= M₀/CI + iτ);

  Ғ-заряд тасымалдаушылар көбеюінің тұрақсыздығы себебінен бөлшектік шуылдың көбеюін ескеретін коэффицент.

  Токтың күшейтілуі уақыт бойынша тұрақты болып қалмайды, көбейту процесіеің түріне қарай фулктуация әрекеті жүре береді. Фотодиодтарда қарқындық (лавинный) көбейту процеінің жүруі артқан сайын ток флуктуациясы да артады. Осыған байланысты ток артуымен бірге қосымша шуыл да артады. Қарқындық фотодиодтар үшін Ғ(М) функциясы ҒМ^Х дәржелік заңымен жақсы апроксимацияланады.

  Экспонент көрсеткіші х = 0,4-1 диапазонында орналасады. Егер қарқындық зонаға электрондардың инжекциялануы басым болатын болса, онда германийлік диод үшін: х=1, ал кремнийлік диод үшін х=0,5. Қарқындық зонаға саңылаулар инжекцияланатын болса, кремнийлік диод үшін экспоненттік көрсеткіш х=1 шамасына дейін көрсетіледі.

  Осылайша, оптикалық қабылдағыштар фотодиодтардың қолданылуы шуыл мағыналардың сигналға тәуелді болатынын көрсетеді. Бұл ерекшілік ТОБЖ қабылдағыштарының классикалық беру жүйелерінің қабылдағыштарынан түбегейлі түрде өзгеше болатынын білдіреді.

  ҚОМ қабылдағыш оптикалық модуль (ПрОМ) бір қорапқа жиналған фотодетектордан (р-і-п түріндегі немесе қарқындық түрдегі) және шуылы аз алдын ала күшейткішінен тұратын құрылғы.

  Екі түрден тұратын ПрОМ принципиалдық сұлбалары келтірілген. Біріншісінде (а) фотодетектор күшейткішке тікелей қосылса («тура желілі» сұлбасы), екіншісіндегі, (ә) –R_к.б  кедергісі арқылы кері байланыс пайдаланылған.

  ЛФД (қарқындық) пайдаланылғанда фотодетектор ретінде оған берілетін кері ығысу (смещение) кернеуін өзгертуге болады, осылайша фотодиодтың қарқындық көбейту коэффициенті реттеледі. Мұның өзі модульдің динамикалық диапазонын айтарлықтай кеңейтуге мүмкіндік береді, бірақ модульде күшейтуді автоматты түрде блок орналастыруға тура келеді. Үйлестіруші өзгерту (рассогласования) кернеуі ЛФД-ге және күшейткіштің күшейту коэффиценттерін бір мезгілде өзгертетін сұлбаға берілуі тиіс.

  Фотодетектор ретінде р-і-п диоды қолданылған жағдайда алдын ала күшейту электрондық сұлбасы қарапайым болады. Ол екі реттік амплитудалық детекторға салыстыру және сүзгі сұлбасы түрінде айналады. Бірақ мұнад модульдің динамикалық диапазоныы АРУ блогы бар қарқындық диод қолданған модульдің динамикалық диапазонынан айтарлықтай аз болады.

  Қолданылатын оптикалық талшықта аналогтік немесе цифрлық сигналдың берілуіне қарай фотодетектор қабылдайтын сигнал қуаты да әр түрлі болуы тиіс.

3.  ТОБЖ ЖЕЛІЛІК КОДТАРЫ

3.1 ТОБЖ желілік кодтар талаптары

 ТОБЖ желілік кодтарына мынадай талаптар қойылады:

  -сигнал спектрі тар және жоғарыдан да, төменнен де шектелген болуы тиіс. Спектр неғұрлым тар болған сайын, фотоқабылдағыштың өткізу жолағы соғұрлым тар болады, сондықтан шуыл қуаты аз болып, оның ықпалы төмендейді. Спектрдің жоғарыдан шектеулі тұрақты ток бойынша ажыратылу тізбегі бар фотоқабылдағыштың электрлік бөлігінде қабылданған сигналдың флуктуация деңгейін төмендетеді. Төменгі жиіліктік құраушының минималды шамада болуы оптикалық беру қондырғысының шығыс қуатын тұрақтандырушы тізбектің орнықты жұмыс істеуін қамтамасыз етеді;

  -желілік сигналдың коды тактілік синхрондаудың қалыпты жұмыс істеуіне қажетті тактілі жиілік тербелісін бөліп шығаруды қамтамасыз ететін болуы тиіс;

  -желілік сигнал коқы тосқауылға барынша (макс) төзімді болуы тиіс. Сонда әр түрлі тең жағдайларда регенерация бөлімшелерінің ұзындығы максималды шекте болады;

  -желілік сигнал коды шектен тыс қаныққан болуы тиіс. Сонда кодтың құрылу ережесінің бұзылуы бойынша қателіктің пайда болғанын анықтауға болады;

  -кодтардың қайта өзгерткіш сұлбаларын жасау жеңіл болу үшін желілік код қарапайым болуы тиіс.

  ТОБЖ желілік сигналдарын құру үшін nВmВ түріндегі блогтық кодтар пайдаланылады. Мұндағыn–кодталатын цифрлық разрядтар саны;B -бастапқы кодтардың санақ жүйесінің екілік негізін анықтайды; m-n разрядқа сәйкес келетін оптикалық талшық боймен берілетін екі деңгейлік сигналдар саны. Мысалы, 1В3в – талшықтық бойынша бір цифрлық разряд, екі сигналмен беріледі және желілік трактағы салыстырмалы беру жылжамдығы кіріс символдар жылдамдығынан екі есе жоғары дегенді білдіреді.

Ең қарапайым желілік кодтар нөлге қайтып оралмайтын NRZ–кодтары және нөлге қайтып оралатын RZ-кодтары деп аталатын кодтар болады.NRZ  кодында «1» импульс және үзіліс арқылы беріледі, сонымен қатар олардың ұзақтығы 2 есе қысқа. Ал «0» бұрынғыдай үзіліс арқылы беріледі.

NRZ және RZ кодының кемшілігі – ұзақтықтары қысқа импульстерді берудің қажеттілігінен берудің кең жолағын пайдалануы; ал артықшылығы – мұнда оптикалық сәуле шығару көзі аз уақыт ішінде жұмыс істейді, соған сәйкес оның параметрлері аз дәрежеде ауытқитын болады.

  Қабылданған анықтамаға сәйкес, RZ коды 1В2В сигналының мысалы болып табылады. Мұның кемшілігі сол, ол жоғарыда келтірілген талаптардың ең соңғысынан басқаларын қанағаттандырмайды. Сондықтан ол регенерациялық бөлімшелері жоқ шағын бөлімшелерде қолданылады.

 Сигнал спектрінде төменгі жиіліктік құраушының болуын төмендету үшін Магистральдық немесе ВJҒ бифазалық код пайдаланылады. Мұнда «0» үзіліс пен импульстер тұратын тізбектремен «1» импульстер мен үзілістерден тұратын тізбектермен беріледі. Соңғысындағы импульстер ұзақтығынан екі есе қысқа. Бұл кодта бір-біріне ұқсас екі символдың қатар берілуі кездеспейді, оның өзі спектрде төменгі жиіліктік құраушының төменедуін көрсетеді. Бұл кодты да регенерациялау қолданылмайтын шағын ұзындықта қолданылған жөн, ол да 1В2В коды сигналының мысалы болып табылады.

  Мысалы: 2В3Г код ұрылу  мынадай: 00 разрядтары 001 мен алмастырылады, ол 010-ға; 10-100-ге тең; 11-111-ге алмастырылады. Мұндай код 1В2В сигналымен салыстырғанда желі бойынша беру жылдамдығын төмендетуге жағдай жасауды қамтамасыз етеді.

   Қарастырылған  кодтардың ортақ кемшіліктеріне мыналар жатады: тосқауылдан қорғанудың төмендігі,тактілік жиілікті бөліп алудың және қателікті байқаудың күрделігі.Сондықтан бұл кодтар ұзақтығы үлкен ТОБЖ трактілерін ұйымдастыру үшін ұсынылмайды.

    Берілетін екі деңгейлік сигналдардың ампитудалары арасына корреляциялық байланыс енгізу айтылған кемшіліктерді жоюға мүмкіндік береді.

    Корреляциялық байланысты сигналдың мысалы болып табылады.CMJ коды немесе токтық сигналдар-кезек-кезек инверсиясы пайдаланылатын код.CMJ –ге корреляциялық байланыс енгізу – екілік 1-ді беруде 11 және 00 комбинацияларының кезектесуінің білінуіне апарып соғатын қателікті байқауға мүмкіндік береді.

    Миллер (М) коды 1В2В сигналыныңбір түрі болып табылады. Мұнда биларлық сигналдың 0 кодтық посылкасына кодтық сөзге сәйкес 11 немесе 00 қойылады, ал 1 кодтық посылкасына 01 немесе 10 қойылады.Сонымен қатар бастапқы бинарлық сигналдың нөлдер тізбектілігі 11 немесе 00 кодтық сөздерінің кезектесуімен беріледі. Бинарлық сигнал поылкаларының басқа комбинацияларында кодтық сөздің бірінші кодтық посылкасы алдыңғы кодтық сөздің соңғы кодтық посылкасындай болуы тиіс. Мысалы, 01100 бинарлық тізбектілігі желілік трактіде 1110011100 тізбектілігімен беріледі. Қорытындысында желілік сигналды 10 немесе 01 түрдегі көрші өтулер Т тактілік инверсияларынан бұрын және 2Т тактілік инверсияларынан кейін орналаспайды. Осы себептен желілік сигналдың энергетикалық спектрі  fт тактілік жиілігінен төменгі аймаққа шоғырланады және энергетикалық спектрдің төменгі жиіліктік құраушысы біршама басылады   (NRZ форматында басылған құраушы бинарлық төменгі жиіліктік құраушысының 30 пайызын құрайды).1/т шамасынан үлкен жиіліктегі өтулердің пайда болуын бақылау  жай ғана регенераторда  қателіктің орын алуын оперативтік бақылаумен бірдей.

    Цифрлық  талшықтық-оптикалық байланыс жүйелерінде қолдану үшін МККТТ 1В2В, 2В3В, 5В6В,6В8В және МВ1В сияқты екі деңгейлік кодтар ұсынылады.Мұндадағы 1Р символы М бинарлық посылкыларға бір баланыстық посылканың қосылатындығын көрсетед (мысалы, баланыстық посылка бірлер мен нөлдер саны кодтық сөзге барлық уақытта жұп немесе тақ болатындай етіп қосылады).

    Цифрлық ТОБЖ –да ИКМ иерархиясының бірінші реттік  сатысында CMJ кодын;екінші реттігінде CMJ және BJF; үшінші ретіндегі – BJF және Миллер кодын ;олардан жоғарырақ сатыларда –Миллер кодын және NRZ формалы  склемблерленген бинарлық сигналдарды қолданған тиімді.

    Қалалық, зоналық және Магистральдық байланыс тораптарында екі деңгейлік кодтармен салыстырғанда , көп деңгейлі кодтарды пайдалану энергетикалық 15÷20 дБ-ге төмендеуіне апарып соғады.Сондықтан көп деңгейлік кодтарды арнайы мақсаттағы  ішкі объектілік байланыс желілерінде пайдаланған жоқ.

ҚОРЫТЫНДЫ

          Сандық коммутация жүйесінде талшықты –оптикалық беру жүйесін (ТОБЖ) құру   принципі  бұл курыстық жұмыстың тақырыбы болып отыр. Курыстық жұмыс негізінен  үш бөлімнен тұрады.

        Бірінші бөлімде талшықты оптикалық байланыс жүйесін ұйымдастыру әрекеттері қарастырылған. Сонымен қатар талшықтық-оптикалық байланыс желісіндегі тығыздау әдістері,  кеңістіктік тығыздау принципі, беруші және қабылдаушы оптикалық модульдердің парамерлері көрсетілді.  

       Екінші бөлімде оптикалық беру құбылысының құрылымы яғни сәуле шығарушы диодпен лазерлі диодтың сипаттамалары анықталады. Оптикалық сәулелену дисперсиясының өлшену жолдары өлшенеді. 

       Үшінші бөлімде талшықты оптикалық беру жүйесінің  желілік кодтары және олардың талаптары қарастырылады.

Талшықты –оптикалық беру жүйесін (тобж) құру қазіргі байланыс саласында алып отырған маңызы өте зор. Бұл байланыс саласын қолдану арқылы ақпараттарды тарату көлемі, кең таралған спутникті байланыс, радиорелелі байланыспен салыстырғанда тез өсті, яғни оптикалық – талшықты тарату жүйесінің жіберу жолағы кең болады.

ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР

1.     Гроднев И.И. «Линейные сооружения связи».М., Радио и связь, 2005

2.     Верник С.М., Гитин В.Я. «Оптические кабели связи». М., Радио и связь,2006

3.     Гроднев И.И., Грызлов А.Ф. «Линейные сооружения многоканальной электросвязи».- М.: Связь,2007

4.     ЗингеренкоА.М. и др. Многоканальная электросвязь.-М.: Связь,1980.

            «Линии связи». М., Радио и связь,2008

5.     Дубровский Е.П. «Городские кабельные линии связи». М., Связь, 2007.

6.     Пеленов С.М., Косенко С.С. «Устройство, эксплуатационно-техническое обслуживание и ремонт междугородных телефонных станций». Учеб. Пособие для сред. Проф- техн. Училищ. - М.: Высшая школа, 2006.

7.     Дурнев В.Г., Стандрик В.Д. Основы многоканальной связи.- М.Связь, 2006

8.     Дивногорцев Г.П. и др. Аппаратура дальней связи.- М.: Связь, 2009

9.     Волковинский Л.М. и др. Железнодорожная телефонная связь.- М.: Транспорт,2008.