Исходные данные выбирают по табл. 3 и 4.
1. Межмодовая дисперсия для волокон MMF, пс:
τmod = T mod∙ L.
2. Хроматическая дисперсия рассчитывается из выражения (3), пс:
τchr = Δλ∙ L ∙ D (λ).
3. Результирующая дисперсия определяется из выражения (2), пс:
Для волокон SF, DSF, NZDSF τmod = 0.
4. Полоса пропускания рассчитывается по формуле (1), MГц:
W = 0,44/τрез,
где τрез должна быть выражена в секундах (1 пс = 10–12 с).
5. Максимальная скорость передачи данных находится из соотношения:
В 0 (Mбит/c) = W (МГц).
6. Перевод значений Р опт и Р пор в децибелы проводят по формулам:
Р опт (дБ) = 10lg Р опт (мВт); Р пор(дБ) = 10lg Р пор (мВт).
Полученное значение округлить до меньшего целого числа.
8. По формуле (4) рассчитать энергетический баланс системы. При расчете L принять: А нс = 0,05 дБ; А рс = 0,2 дБ; А зап = 6 дБ. Система работоспособна, если энергетический баланс больше или равен нулю.
Таблица 3 – Исходные данные для лабораторной работы
| № вар. | L, км | Тип ОВ | λ, нм | Δλ, нм | Р опт, мВт | Р пор, мВт | l стр, км | n рс |
| MMF 50/125 | 0,5 | 0,001 | 2,0 | |||||
| SF 8/125 | 0,0001 | 4,0 | ||||||
| NZDSF LEAF™ | 0,0015 | 4,5 | ||||||
| MMF 62,5/125 | 0,0005 | 3,5 | ||||||
| SF 8/125 | 0,1 | 0,00005 | 3,0 | |||||
| DSF 8/125 | 0,00005 | 3,5 | ||||||
| NZDSF SMF-LS™ | 0,00005 | 3,0 | ||||||
| 7,5 | MMF 50/125 | 0,001 | 2,5 | |||||
| SF 8/125 | 0,1 | 0,00005 | 4,0 | |||||
| MMF 62,5/125 | 0,0005 | 4,5 | ||||||
| DSF 8/125 | 0,00005 | 4,0 | ||||||
| NZDSF LEAF™ | 0,0005 | 1,5 | ||||||
| MMF 50/125 | 0,5 | 0,001 | 0,7 | |||||
| MMF 62,5/125 | 0,0005 | 2,5 | ||||||
| NZDSF SMF-LS™ | 0,0015 | 2,5 | ||||||
| DSF 8/125 | 0,0005 | 3,5 | ||||||
| 1,5 | MMF 50/125 | 0,5 | 0,0015 | 0,8 | ||||
| DSF 8/125 | 0,1 | 0,00005 | 4,5 | |||||
| 2,5 | MMF 50/125 | 0,001 | 1,0 | |||||
| 4,5 | MMF 62,5/125 | 0,0005 | 2,0 | |||||
| DSF 8/125 | 0,00005 | 4,0 | ||||||
| SF 8/125 | 0,00005 | 3,5 | ||||||
| 3,5 | MMF 50/125 | 0,001 | 1,5 | |||||
| 5,5 | MMF 62,5/125 | 0,0015 | 2,5 | |||||
| 6,5 | MMF 62,5/125 | 0,0005 | 3,0 |
Таблица 4 – Параметры оптических волокон фирмы Corning
| Тип волокна | λ, нм | Коэффициент межмодовой дисперсии T mod, пс/км | Коэффициент хроматической дисперсии D (λ), пс/(нм·км) | Коэффициент затухания α, дБ/км |
| MMF 50/125 | 99,6 | 2,5 | ||
| 1,0 | 0,8 | |||
| 19,2 | 0,29 | |||
| MMF 62,5/125 | 106,7 | 3,0 | ||
| 4,2 | 0,7 | |||
| 17,3 | 0,29 | |||
| SF 8/125 | 1,8 | 0,4 | ||
| 17,5 | 0,3 | |||
| DSF 8/125 | 21,2 | 0,5 | ||
| 1,7 | 0,25 | |||
| NZDSF LEAF™ | 6,0 | 0,25 | ||
| NZDSF SMF-LS™ | –3,5 | 0,25 |
Контрольные вопросы
1. Изобразите структурную схему ВОСП и объясните назначение ее составных частей.
2. Какие виды модуляции излучения лазера, используются в ВОСП. Назовите преимущества и недостатки этих видов модуляции.
3. Какие форматы модуляции оптического излучения используются в ВОСП? Чем отличаются форматы NRZ и RZ?
4. По функциональной схеме передающего модуля объясните назначение его основных частей.
5. Что такое коэффициент ошибок в ВОСП?
6. Какое строение имеет оптическое волокно? На каком принципе основана передача светового сигнала?
7. Назовите основные виды оптических волокон, укажите их параметры и преимущественные области применения.
8. Какие типы оптических кабелей вы знаете? Опишите типовую конструкцию оптического кабеля.
9. Как соединяют участки оптического кабеля строительной длины при монтаже ВОСП?
10. Поясните механизм влияния дисперсии на скорость передачи данных?
11. Какие виды дисперсии и методы ее снижения вы знаете?
12. Какой параметр ВОСП зависит от затухания оптического сигнала?
13. Что такое энергетический баланс ВОСП, с какой целью он рассчитывается?
14. Как рассчитываются полоса пропускания ВОСП и максимальная скорость передачи данных?
15. На каких длинах волн происходит передача данных в различных типах ОВ? Почему?
Лабораторная работа № 7
ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЕЙ
Цель работы: изучение строения оптических дисков, устройства и принципов действия основных систем оптических накопителей.
Пояснения к работе
Оптические лазерные диски являются основным цифровым носителем разнообразной информации. Наиболее распространены диски форматов CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc) и BD (Blu-ray Disc), которые принципиально не отличаются друг от друга. Следует различать форматы самих дисков и форматы представления информации на них. В частности, форматы DVD дисков обозначаются DVD-ROM, DVD-RAM, DVD±R, DVD±RW, а форматы представления информации – DVD-Video, DVD-VR, DVD-Audio, DVD-Data. Например, диск DVD-Video можно изготовить на заводе путем штамповки или записать на компьютере, используя заготовки DVD±R, DVD±RW.
Оптический диск содержит прозрачную основу из поликарбоната на которую может наноситься несколько слоев, обеспечивающих функции отражения света, записи данных, защиты от внешних воздействий и другие. В качестве примера рассмотрим строение штампованного диска CD-ROM, предназначенного только для считывания информации (рис. 16). В таком диске информационным слоем является поверхность раздела поликарбонатной основы и тонкого светоотражающего слоя из алюминия. Слой алюминия защищен снаружи покрытием из лака, поверх которого может печататься этикетка диска.
 |
а) б)
Рис. 16. Поперечное сечение штампованного CD (а) и вид питов при сильном увеличении (б): 1 – этикетка; 2 – внешний защитный слой лака; 3 – светоотражающий слой; 4 – пит; 5 – ленд; 6 – прозрачная основа; 7 – луч лазера
Цифровая информация на оптическом диске представлена в виде последовательности питов, расположенных вдоль спиральной дорожки, начинающейся в центральной части диска. Остальную часть диска называют лендом, а промежутки, разделяющие питы вдоль дорожки – лендами. На штампованном диске питы представляют собой углубления разной длины глубиной около 0,1 мкм. На записываемых и перезаписываемых дисках питы представляют собой плоские участки с меньшей, чем у остальной поверхности отражающей способностью.
Информация перед размещением на оптическом диске подвергается ряду преобразований – вначале выполняется помехоустойчивое кодирование и далее канальное кодирование. Например, в компакт-дисках применяется канальное кодирование EFM, при котором каждый байт информации заменяется 14-разрядным словом из специальной таблицы преобразования. К полученному таким образом 14-разрядному слову по определённому правилу добавляется ещё три соединительных разряда. В результате канального кодирования получается непрерывная последовательность бит, в которой между двумя единицами никогда не может быть меньше двух или больше десяти нулей. Именно полученная таким путем последовательность бит и записана на компакт-диске в виде питов. Протяженность каждого пита (или ленда) лежит в пределах от 3 до 11 периодов тактовой частоты.
Схема считывания данных показана на рис. 17. Луч полупроводникового лазера проходит через полупрозрачное зеркало и фокусируется объективом на информационном слое диска. Для CD диаметр луча на поверхности прозрачной основы равен примерно 1 мм, в плоскости информационного слоя – 0,5 мкм. Мелкие частицы пыли на поверхности диска не влияют на фокусировку. Интенсивность света, отраженного от пита, ниже, чем от ленда. Изменения интенсивности света, отраженного от информационного слоя диска, с помощью фотодетектора преобразуются в электрический сигнал.
Рис. 17. Схема считывания информации с оптического диска
Для точного позиционирования оптического блока относительно дорожки штампованного диска используется все тот же сигнал, отраженный от цепочки питов. Какой-либо дополнительной разметки на диске нет. Управляющий сигнал для системы слежения за дорожкой может вырабатывается только тогда, когда присутствуют питы. Благодаря описанному выше способу представления информации питы не могут отсутствовать больше, чем 10 периодов тактовой частоты. Этого достаточно, чтобы следящая система успевала своевременно корректировать положение оптического блока.
Записываемые (R) и перезаписываемые (RW) диски по строению отличаются от штампованных дисков. Работа следящей системы в накопителях для записываемых и перезаписываемых дисков также имеет свои особенности, что связано с тем, что "чистая", незаписанная заготовка не содержит никакой информации и, соответственно, на ее поверхности нет питов. Но ведь питы – это не только хранимая информация, но и источник данных для работы следящей системы. Поэтому для позиционирования лазерного луча на записываемых и перезаписываемых дисках в процессе изготовления методом штамповки выполнен микрорельеф в виде сплошной спиральной направляющей канавки. Канавка заполнена красителем, играющим роль рабочего слоя. Луч лазера отражается от дна канавки слабее, чем от остальных участков диска. Такого оптического контраста достаточно для работы системы отслеживания дорожки записи.
Типовая схема оптического накопителя, обеспечивающего чтение информации с компакт-диска, показана на рис. 18. Считывание информации, записанной в виде питов, производится оптическим блоком (оптической головкой). Оптический блок является законченным оптико-механическим узлом, в состав которого входят:
- лазерный диод и монитор-фотодиод, размещенные в одном корпусе;
- оптическая система, обеспечивающая формирование считывающего пятна на поверхности диска, разделение прямого и отраженного лучей, формирование световых сигналов для фотоприемника;
- исполнительные устройства систем фокусировки и отслеживания дорожки записи – фокусная катушка и трекинг-катушка. Исполнительные устройства служат для перемещения линзы объектива в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Рассмотрим работу накопителя. Лазерный диод генерирует излучение с длиной волны 0,78 мкм (невидимый ИК-диапазон), мощность излучения – 0,25...4,5 мВт. В DVD-проигрывателях используется лазер с длиной волны излучения 0,78 мкм (красный цвет), а в BD (Blu-ray) – с длиной волны 0,78 мкм (фиолетовый цвет). Рабочий ток лазерного диода Iраб лежит в пределах 20...100 мА. Значение Iраб указывается на этикетке оптического блока (рис. 19): значение тока в мА равно последнему трехзначному числу, деленному на 10. В приведенном примере: 474: 10 = 47,4 мА.
Для поддержания мощности излучения на постоянном уровне применяется схема автоматического управления мощностью излучения лазера АLРС (Automatic Laser Power Control). В качестве датчика обратной связи в ней используется монитор-фотодиод, находящийся в общем корпусе с лазерным диодом.
Расходящийся пучок излучения лазерного диода проходит дифракционную решетку, раскладывающую его на основной луч и боковые лучи (рис. 20, 21). Основной луч используется для считывания информации с CD. Два боковых луча первого порядка используются для системы отслеживания дорожки записи. Боковые лучи более высоких порядков не используются. Данная система называется трехлучевой.
 | |||
 | |||
 |
а) б)
Рис. 19. Этикетка оптического блока KSS213B (а) и схема
лазерного диода/монитор-фотодиода (б)
Три луча попадают на поляризационный расщепитель, преломляются им и направляются на зеркальную призму. Преломленные боковой гранью зеркальной призмы, три луча фокусируются линзой объектива на поверхности компакт-диска. Линза объектива смонтирована на подвижном основании и способна перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях для фокусировки и отслеживания дорожки записи.
 |
Рис. 20. Ход лучей в оптическом блоке
 |
Рис. 21. Распределение интенсивности излучения
после прохождения дифракционной решетки
Отраженные от поверхности диска лучи проходят этот путь в обратном порядке: линза объектива, боковая грань зеркальной призмы, поляризационный расщепитель. Поляризационный расщепитель направляет отраженные лучи на цилиндрическую линзу, тем самым отделяя их от лучей на выходе дифракционной решетки. Пройдя цилиндрическую линзу, основной луч, модулированный питами, и два боковых луча попадает в фотодетектор.
Система автоматической фокусировки постоянно перемещает линзу объектива вверх-вниз, чтобы питы всегда были в фокусе. Эта система на основании величины и знака ошибки фокусировки формирует соответствующий управляющий электрический сигнал, постоянно корректирующий расстояние между линзой объектива и поверхностью диска. Фокусировка лазера астигматическим методом, основана на свойстве лазерного излучения после прохождения цилиндрической линзы изменять форму считывающего пятна при перемещении вдоль оси луча (рис. 22).
 |
Рис. 22. Фокусировка астигматическим методом
При правильном расстоянии до поверхности диска (плоскость А) световое пятно имеет форму круга. При удалении считывающего узла от плоскости А в одну или другую сторону круг будет превращаться в овал, вытянутый в вертикальном или горизонтальном направлении. Для преобразования изменений формы считывающего пятна в электрические сигналы управления фотодетектор имеет несколько изолированных друг от друга светочувствительных площадок (фотодиодов), расположенных в одной плоскости. Фотодетектор представляет собой матрицу из прозрачной пластмассы, в состав которой вхо
 |
дят основные фотодиоды А, В, С, D, вспомогательные фотодиоды Е, F и усилители их сигналов (рис. 23).
Рис. 23. Фотодетектор (размеры площадок фотодиодов – в мкм)
Работу схемы выделения сигнала ошибки фокусировки FE (Focus Error) иллюстрирует рис. 24. Освещенность основных фотодиодов А, В, С, D будет изменяться вследствие изменения расстояния от объектива до дорожки записи. Разность сигналов (А+С) – (B+D) является сигналом ошибки фокусировки FE. Если питы находятся точно в фокусе, то освещенность пар А, С и B, D будет одинаковой, а разность между их электрическими сигналами будет равна нулю (рис. 24, а).
При близком расположении объектива, электрический сигнал с фотодиодов А, С будет больше, чем с фотодиодов B, D (рис. 24, б). При дальнем расположении объектива больше станет сигнал с фотодиодов B, D (рис. 24, в). На основе сигнала ошибки FE формируется сигнал управления фокусной катушкой, которая перемещает линзу объектива.
Путем суммирования сигналов основных фотодиодов А, В, С, D выделяется высокочастотный RF-сигнал (Radio Frequency – высокая частота), который несет в себе кодированную информацию, записанную на CD. Обработка сигналов фотодетектора (суммирование, вычитание) выполняется специальной микросхемой RF-усилителя.
 |
Рис. 24. Выделение сигнала FE ошибки фокусировки
Система автоматического отслеживания дорожки записи постоянно корректирует положение линзы в горизонтальной плоскости, удерживая луч лазера в центре дорожки с точностью ±0,05 мкм (ширина дорожки 0,6...0,8 мкм). Отслеживание дорожки записи происходит с помощью двух вспомогательных лучей (рис. 21) следующим образом. Каждый из боковых лучей сдвинут относительно основного и следуют один – перед, а другой – после него. Если основной луч точно следует по дорожке записи (рис. 25, б), то два боковых луча одинаково перекрывают дорожку, то есть сигналы с соответствующих им фотодиодов Е и F одинаковы, и их разность равна нулю. При сравнении этих сигналов учитывается факт разницы во времени при прохождении одной и той же точки на дорожке записи. В случае смещения основного луча с дорожки (рис. 25, а, в) происходит увеличение сигнала с одного фотодиода и уменьшение с другого.
Разность сигналов (Е – F) является сигналом ТЕ (Tracking Error) ошибки отслеживания дорожки записи (рис. 26). Низкочастотная составляющая сигнала ошибки ТЕ в дальнейшем обрабатывается сервопроцессором, который формирует сигнал управления трекинг-катушкой, являющейся исполнительным механизмом системы отслеживания дорожки записи.
 |
Рис. 25. Метод отслеживания дорожки записи с помощью двух боковых лучей:
а – смещение луча влево; б – основной луч следует по дорожке записи;
в – смещение луча вправо
 |
Рис. 26. Выделение сигнала TE ошибки отслеживания дорожки записи
В связи с тем, что при чтении информации с диска радиус спиралевидной дорожки увеличивается, сервопроцессор периодически формирует сигнал управления двигателем позиционирования оптического блока. Под воздействием этого сигнала система позиционирования скачками перемещает оптический блок, когда создаются предпосылки выхода дорожки записи за пределы захвата линзы объектива. Механизм позиционирования также осуществляет быстрое перемещение оптического блока на заданную дорожку записи при выборочном чтении информации.
Самым распространенным на сегодняшний день является механизм позиционирования салазочного (скользящего) типа, линейно перемещающий оптический блок по радиусу диска. В таком механизме оптический блок двигается (скользит) по направляющей стойке. Перемещение оптического блока осуществляется с помощью электродвигателя позиционирования через зубчатую передачу.
Вращение диска с постоянной линейной скоростью обеспечивается отдельным электродвигателем. В аудио-видео аппаратуре скорость вращения диска минимальна с целью снижения акустического шума двигателя. В компьютерных накопителях система управления способна самостоятельно выбирать максимальное число оборотов диска для увеличения скорости чтения данных.