- •А.Н. Игнатов
- •Новосибирск 2013
- •Предисловие
- •1.1 Введение в волоконную оптику
- •1.2 Особенности оптической электроники
- •1.3 История развития оптоэлектроники
- •1.4 Современное состояние оптоэлектронной элементной базы
- •1.5 Система обозначений оптоэлектронных приборов индикации
- •1.6 Система обозначений полупроводниковых приборов и оптронов
- •Тестовые вопросы к главе 1 «Введение в оптоэлектронику»
- •2 Физические основы оптоэлектроники
- •2.1 Различие между фотометрическими и энергетическими характеристиками
- •2.2 Фотометрические характеристики оптического излучения
- •2.2.1 Функция видности и ее зависимость от длины электромагнитной волны
- •2.2.2 Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света
- •2.2.3 Сила света, IV
- •2.2.4 Освещенность поверхности, е
- •2.2.5 Закон освещенности
- •2.2.6 Светимость излучающей поверхности, м
- •2.2.7 Яркость светящейся поверхности, l
- •Величина
- •2.2.8 Закон Ламберта
- •2.2.9 Световая экспозиция, нv
- •2.5 Колориметрические параметры
- •2.6 Когерентность оптического излучения
- •2.6.1 Монохроматическая электромагнитная волна (мэв)
- •2.6.2 Особенности излучения электромагнитных волн в ультрафиолетовом (уф), видимом и инфракрасном (ик) диапазонах
- •2.7 Квантовые переходы и вероятности излучательных переходов
- •2.7.1 Энергетические уровни и квантовые переходы
- •2.7.2 Спонтанные переходы
- •2.7.3 Вынужденные переходы
- •2.7.4 Соотношения между коэффициентами Эйнштейна
- •2.7.5 Релаксационные переходы
- •2.8 Ширина спектральной линии
- •2.9 Использование вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля
- •2.10 Механизм генерации излучения в полупроводниках
- •2.11 Прямозонные и непрямозонные полупроводники
- •2.12 Внешний квантовый выход и потери излучения
- •2.13 Излучатели на основе гетероструктур
- •2.14 Поглощение света в твердых телах
- •2.15 Типы переходов и характеристики излучающих полупроводниковых структур.
- •2.16 Параметры оптического излучения
- •Тестовые вопросы к главе 2 «Физические основы оптоэлектроники»
- •3 Приборы некогерентного излучения
- •3.1 Источники света
- •3.1.1 Разновидности источников
- •3.2 Основные характеристики и параметры светодиодов
- •3.2.1 Параметры светодиодов
- •3.2.2 Характеристики светодиодов
- •3.2.3 Определение и оценка параметров светодиодов
- •3.2.4 Схемы возбуждения, обеспечивающие высокую световую эффективность светодиодов
- •3.2.5 Влияние температуры
- •3.2.6 Срок службы
- •3.2.7 Ограничение тока
- •3.2.8 Достоинства твердотельных излучателей
- •3.3 Конструкции светодиодов
- •3.4 Основные схемы возбуждения светодиодов
- •3.5 Выбор типа светодиода
- •3.5.1 Основные соображения для выбора типа светодиода
- •3.5.2 Памятка разработчику
- •3.6 Электрическая модель светодиода
- •3.7 Светодиоды инфракрасного излучения
- •3.8 Светодиодные источники повышенной яркости и белого света
- •Тестовые вопросы к главе 3 «Источники некогерентного излучения»
- •4 Приборы когерентного излучения
- •4.1 Физические основы усиления и генерации лазерного излучения
- •4.2 Структурная схема лазера
- •4.3 Лазеры на основе кристаллических диэлектриков
- •4.4 Жидкостные лазеры
- •4.5 Газовые лазеры
- •4.6 Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного моно лазера
- •4.7 Устройство и принцип действия полупроводниковых лазеров с гетероструктурами
- •4.8 Волоконно-оптические усилители и лазеры
- •4.8.1 Волоконные усилители
- •4.8.2 Волоконные лазеры
- •4.8.3 Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния
- •4.9 Светоизлучающие диоды для волоконно-оптических систем
- •4.10 Сравнительная характеристика лазеров и светодиодов
- •4.10.1 Параметры отечественных полупроводниковых лазеров и оптических модулей
- •4.11. Квантовые эффекты в полупроводниках
- •4.12. Фотонные нанокристаллы.
- •4.13. Наноэлектронные лазеры
- •4.13.1. Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами
- •4.13.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами
- •4.14.1. Органические светодиоды
- •4.14.2. Пассивно-матричные oled
- •4.14.3. Активно-матричные oled
- •4.14.4. Технологии получения органических светодиодов
- •Тестовые вопросы к главе 4 «Приборы когерентного излучения»
- •5 Полупроводниковые фотоприемные приборы
- •5.1 Принцип работы фотоприемных приборов
- •5.2 Характеристики, параметры и модели фотоприемников
- •5.2.1 Параметры фотоприемников
- •5.2.2 Характеристики фотоприемников
- •5.2.3 Параметры фотоприемника как элемента оптопары
- •5.2.4 Электрические модели фотоприемников
- •5.3 Фотодиоды на основе p-n – перехода
- •5.4 Фотодиоды с p–I–n структурой
- •5.5 Фотодиоды Шоттки
- •5.6 Фотодиоды с гетероструктурой
- •5.7 Лавинные фотодиоды
- •5.8 Фототранзисторы
- •5.9 Фототиристоры
- •5.10 Фоторезисторы
- •5.11 Основные характеристики и параметры фоторезистора
- •5.12 Пзс приемные фотоприборы
- •5.13 Фотодиодные сбис на основе моп – транзисторов
- •5.14 Пиротехнические фотоприемники
- •5.15. Фотоприемные наноэлектронные приборы
- •5.15.1. Фотоприемники на квантовых ямах
- •5.15.2. Фотоприемники на основе квантовых точек
- •Тестовые вопросы к главе 5 «Полупроводниковые фотоприемные Приборы»
- •6 Оптроны
- •6.1 Устройство и принцип действия оптронов
- •6.2 Структурная схема оптрона
- •6.3 Классификация и параметры оптронов
- •6.4 Электрическая модель оптрона
- •6.5 Резисторные оптопары
- •6.6 Диодные оптопары
- •6.7 Транзисторные оптопары
- •6.8 Тиристорные оптопары
- •Тестовые вопросы к главе 6 «Оптроны»
- •7 Индикаторные приборы
- •7.1 Жидкокристаллические индикаторы
- •7.1.1 Основы теории
- •7.1.2 Ячейки на основе эффекта динамического рассеяния (др – ячейки)
- •7.1.3 Ячейки на основе твист-эффекта
- •7.1.4 Основные типы и параметры
- •7.1.5 Схемы включения жидкокристаллических индикаторов
- •7.1.6 Схемы управления многоразрядными индикаторами
- •7.2 Электролюминесцентные индикаторы
- •7.2.1 Устройство и принцип действия
- •7.2.2 Типы и параметры
- •7.2.3 Схемы включения электролюминесцентных индикаторов
- •7.3 Плазменные панели и устройства на их основе
- •7.4 Электрохромные индикаторы
- •7.5. Отображение информации индикаторными приборами
- •Тестовые вопросы к главе 7 «Индикаторные приборы»
- •8 Применение оптоэлектроннх приборов
- •8.1 Устройство и принцип действия оптоэлектронных генераторов
- •8.1.1 Блокинг - генератор
- •8.1.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения
- •8.1.3 Генератор с мостом Вина
- •8.2 Применение оптоэлектронных приборов в аналоговых ключах и регуляторах
- •8.3 Применение оптронов для выполнения логических функций
- •8.4 Применение оптронов как аналогов электрорадиокомпонентов
- •8.5 Устройство и принцип действия оптоэлектронных усилителей
- •8.6 Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей
- •8.7 Применение оптоэлектронных приборов для измерения высоких напряжений и управления устройствами большой мощности
- •8.8 Устройство и принцип действия оптических устройств записи информации
- •8.9 Принцип лазерно-оптического считывания информации
- •8.10 Принципы цифровой оптической записи и воспроизведения информации с компакт дисков
- •8.10.1 Устройство компакт-диска
- •8.10.2 Запись на компакт диски
- •8.10.3 Отличия cd-r/cd-rw дисков от штампованных
- •8.10.4 Маркировка дисков
- •8.10.5 Надежность дисков cd-r/rw в сравнении со штампованными
- •8.10.6 Изготовление и тиражирование компакт-дисков
- •8.10.7 Воспроизведение компакт-диска
- •8.10.8 Устройство накопителей на cd-rom
- •8.10.9 Представление и параметры звукового сигнала на cd
- •8.10.10 Джиттер
- •8.11 Оптоэлектронные сенсорные системы взаимодействия человека с электронной техникой.
- •8.11 Лазерный микропроектор со спиральной разверткой для мобильных устройств
- •Тестовые вопросы к главе 8 «Применение оптоэлектронных приборов»
- •9. Волоконно-оптические системы связи
- •9.1. Общие сведения
- •9.2. Классификация волоконно-оптических систем распределения
- •9.3. Волоконно-оптические системы распределения
- •9.4. Оптические передатчики
- •9.5 Приемники волоконно-оптических систем связи
- •9.5.1 Приемные оптоэлектронные модули
- •9.6. Цифровые волоконно-оптические системы связи
- •9.7. Аналоговые волоконно-оптические системы связи
- •9.8 Умные соединители на основе смартлинков
- •9.8.1 Технические решения смартлинков
- •9.8.2 Самоформирующиеся компьютеры
- •9.8.3 Оптоволоконные нейроинтерфейсы
- •9.9 Волоконно оптические технологии для сетей доступа
- •9.9.1 Общие сведения
- •9.9.2 Тенденции мирового развития сетей доступа
- •9.9.3 Технологии оптических сетей доступа
- •9.9.4 Категории оптических сетей доступа
- •9.9.5 Волокно до бизнеса – FttBusiness
- •9.9.6 Волокно до дома – ftth
- •9.9.7 Волокно до многоквартирного дома – fттb
- •9.9.8 Волокно до сельского района
- •9.10 Медиоконверторы и их применение в оптических системах связи
- •9.10.1 Общие сведения
- •9.10.2. Основные технические требования, предъявляемые к оборудованию
- •9.10.3. Классификация медиаконвертеров по критерию управляемости
- •9.10.4. Конструктивное исполнение
- •9.10.5. Основные параметры медиаконвертеров
- •9.10.6. Система управления
- •9.10.7. Устройство и применение медиоконвертора rs-485
- •Тестовые вопросы к главе 9 «Волоконно-оптические системы связи»
- •Приложение п1
- •Приложение п2
- •Приложение п3
- •Приложение п4 Перечень принятых сокращений
- •Список цитированной литературы
9.9.7 Волокно до многоквартирного дома – fттb
Сегодня большинство альтернативных операторов, не обладая медными проводными линиями связи, используют концепцию «волокно к многоквартирному дому» для развития сети, благодаря резкому падению цен как на оборудование, так и на ВОК. Для ОСД к многоквартирным домам (рис. 9.26) чаще всего используют ВОК воздушной прокладки. Опорами при этом служат столбы освещения и троллейбусной контактной сети, а также стойки, установленные на крышах домов, и стены зданий. Фактически начался бум по созданию ВОСП подобно тому, как это было в середине-конце 90-х годов при создании коаксиальных сетей КТВ.Наиболее привлекательна техника прокладки «крышных» кабелей, так как при охвате жилого квартала расстояния по крышам в 1,5–2 раза короче, чем при использовании кабельной канализации. Большинство альтернативных операторов устанавливает оборудование на верхнем техническом этаже, в лифтовом помещении, на лестничной u1082 клетке последнего этажа. Этому способствует и появление экономичных «крышных» кабелей отечественного производства. Эти кабели имеют выносной несущий трос и один оптический модуль. Трос выполняет роль силового элемента для ограничения деформаций модуля. Конструкция ВОК проста, легка и экономична. Например, одномодульный кабель с выносным несущим тросом (сечение типа "8") имеет размер в сечении 4x8 мм и весит около 55 кг/км, допуская пролеты до 200–250 м. Его стоимость около 20000 руб./км, а подвеска обходится дешевле, чем подвеска коаксиального кабеля. Для типичного микрорайона Москвы или другого крупного города России расстояние между центрами домов лежит в пределах 250–500 м, а число квартир на дом – около 200. Доля стоимости ВОК в расчете на квартиру – 25–50 руб., что даже меньше удельной стоимости разводки по зданию. “Крышный” кабель такой конструкции практически не портит внешний вид пространства между зданиями. Он выглядит как провод радиотрансляционной сети. (Сравните с толстыми пучками коаксиальных кабелей, опутывающих кварталы городов.)
Наиболее перспективные технологии доступа с экономным расходом волокон – Metro-Ethernet и однонаправленные сети HFC. Коммутаторы Ethernet второго уровня с гигабитными оптическими up-link портами существенно подешевели за последние годы, а их возможности достаточны для доставки населению ШП-каналов, обеспечивающих услуги IPTV. Например, кольцевой защищенный шлейф из 10 коммутаторов, имеющий два гигабитных подключения к серверу удаленного доступа (BRAS), может обеспечить IP-сервисом 250–500 семей. Стоимость коммутатора, удовлетворяющего всем требованиям безопасности сети с протоколами группового вещания, необходимыми для потокового IPTV, лежит в пределах 14000–28000 рублей, или 600–1200 рублей за порт. При охвате микрорайонов можно ограничиться 8–16-волоконными кабелями внутри кварталов и 16-32-волоконными кабелями для создания внутрирайонной магистрали.
Что касается сетей КТВ (HFC), то до последнего времени активно строились двунаправленные сети HFC и применялся протокол DOCSIS для организации доступа в Интернет через кабельные модемы. Один оптический узел мог обслуживать несколько десятков домов. Однако при установке оптического узла в каждом доме организация обратного канала по оптике требует множества подключений “точка-точка” по выделенным волокнам от оптических узлов до головной станции. Уже сейчас более эффективным и экономичным является решение, использующее однонаправленную сеть HFC вместе с сетью
Metro-Ethernet. Такая сеть HFC может обеспечить наиболее востребованный тип видеоуслуги – передачу социального пакета аналоговых ТВ-каналов и платного пакета цифровых каналов. Для приема цифровых каналов у абонента требуется установка абонентского DVB-C декодера (DVB-C STB), цена на который немного меньше, чем на IPTV STB. Для сервиса
VoD DVB-С требует такого обратного канала, для которого лучше использовать ШП-подключение по IP через сеть Metro-Ethernet, хотя более эффективным является обеспечение VoD через сеть Metro-Ethernet, используя протоколы IPTV. Вместо Metro-Ethernet можно применить технологии PON – BPON, GEPON, GPON, из которых наиболее прогрессивной является технология GPON, обеспечивающая, как и Metro- Ethernet, полосу более 2 Гбит/c на группу домов (2,5 Гбит/с в нисходящем и 1,2 Гбит/с в восходящем потоках). Сети PON совпадают по топологии с однонаправленными сетями HFC и могут использовать одни и те же волокна и систему оптических разветвителей. В настоящее время решение на основе технологий GPON и GEPON превышает по стоимости решение на основе Metro-Ethernet. Однако, благодаря бурному развитию сетей PON для FTTH в США и в Юго-Восточной Азии, ожидается резкое снижение цены на компоненты оборудования GPON и GEPON.
Подключение домового терминального узла PON (или ОNU типа MDU) можно зарезервировать, подсоединив его к двум деревьям PON – основному и резервному. Эти сети масштабируются уменьшением числа ONU в деревьях PON (например, 2,5 Гбит/с–32 узла переходит в 2,5 Гбит/с–16 узлов) или числа абонентов в расчете на одно ONU. Дальнейшим развитием сети типа “волокно к многоквартирному дому” может быть ее преобразование в сеть “волокно к подъезду”. При этом не требуется прокладка новых кабелей между домами или увеличение числа используемых волокон в существующих кабелях, так как вместо домового ONU можно поставить оптический разветвитель, “размножив” этим волокна для “подъездных” ONU. Это делает сеть PON более привлекательной.
В случае Metro-Ethernet потребуется или увеличение числа волокон, или создание дополнительного каскада коммутаторов, или переход на 10GE.
Компании, предоставляющие КТВ-сервис, видимо, будут предлагать DVD-C для потокового видео и подключения к Интернету по каналам 256 Кбит/c – 1 Мбит/c с контролем QoS. Операторы подключения Интернет скорее всего будут предлагать ШП-доступ (10 Мбит/с и более) без u1072 аналогового КТВ, но с потоковым IP-видео.
Альтернативные телефонные операторы все больше используют на “последней миле” IP-телефонию. ШП-подключение абонентов гарантирует приемлемое качество и надежность IP-трафика. Операторы традиционной телефонии распределяют каналы E1 с помощью BPON и GPON. Использование систем PDH/SDH для распределения по ВОК каналов E1 сохранилось, так как транспорт E1 через сети Ethernet по протоколу PWE-3, несмотря на его перспективность, пока не удовлетворяет в полной мере требованиям стандартов на передачу E1.
