Podstawy telekomunikacji optofalowej Bogdan Galwas

Spis treści książki

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

pokaż cały spis treści

ukryj recenzje