Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Так как h и с постоянны, то длина волны зависит только от энергетической зоны, то есть от используемого материала. Это очень важный вывод.
Для чистого арсенида галлия (GaAs) А равно 900 нм. Добавляя небольшое количество алюминия, можно уменьшить длину волны до 780 нм. Чтобы получить еще более короткие длины волн, используется фосфид галлия арсенида (GaAsP) или фосфид галлия (GaP).
Основные различия между светодиодом и лазерным диодом — это различия между спектрами генерируемого излучения и углами направленности.
Светодиод генерирует излучение с длинами волн, лежащими в окрестности некоторого центрального значения, как показано на рис. 10.41. Лазерный диод дает очень узкую полосу частот, почти одной длины волны.
P-N переход в светодиоде порождает излучение с более широким спектром, чем у лазерного диода, причем это излучение распространяется во всех направлениях, то есть светодиод не дает узконаправленного излучения. Дисперсия в сильной степени зависит от механического строения диода, его поглощения и отражения. Свет, однако, излучается во всех направлениях, и чтобы сузить пучок света, производители светодиодов помещают сверху что-то вроде фокусирующих линз. И все равно угол получается слишком большим и не годится для одномодового волокна. По этой причине светодиоды не используются в качестве передающих устройств с одномодовым оптоволоконным кабелем.
Лазерные диоды изготавливаются из того же материала, что и светодиоды, процесс генерации света тоже аналогичен, но зона перехода гораздо меньше, а концентрация дырок и электронов выше. Индуцированныи свет может излучаться только с очень маленькой поверхности. При определенных уровнях тока процесс генерации фотонов попадает в резонанс и число индуцированных фотонов резко увеличивается, давая больше фотонов с одинаковой длиной волны и фазой. Таким образом, оптическое усиление достигается организованным образом, и генерированный свет представляет собой когерентное (по фазе) индуцированное излучение. Слово LASER образовано из первых букв light amplification by stimulated emission of radiation, что означает: «усиление света при помощи индуцированного излучения».
Чтобы «запустить» индуцированное излучение, для лазерного диода требуется минимальный ток от 5 до 100 мА — это так называемый пороговый ток. Этот порог гораздо выше, чем для обычного светодиода.
Однако, после запуска индуцированного излучения, лазерный диод дает большую оптическую мощность и очень маленький угол рассеяния.
Для передачи высоких частот и аналоговых сигналов важно, чтобы выходное излучение было линейно связано с приложенным током возбуждения, а также имело широкую полосу.
Со светодиодами в отношении линейности все нормально, однако не столь хорошо дела обстоят в высокочастотной области (по сравнению с ЛД), хотя все же передаваемая частота превышает 100 МГц, а этого для видеонаблюдения более чем достаточно.
Лазерные диоды могут легко давать частоты выше 1 ГГц.
Рис. 10.41. Спектр излучения светодиода (LED) и лазерного диода (LD)
Рис. 10.42. Зависимость интенсивности светового излучения от силы тока для светодиода
Вышесказанное может быть проиллюстрировано аналогией, которую мы приводили при обсуждении магнитной записи. Представьте себе, что выходной спектр светодиода или ЛД — это острые кончики карандашей. В спектре светодиода будут карандаши с более толстыми кончиками, а в спектре ЛД — с более острыми. При помощи остро заточенного карандаша можно писать маленькие буквы и разместить больше текста на заданном пространстве, то есть сигнал, модулированный ЛД, будет содержать более высокие частоты.
Однако, светодиоды дешевле, имеют более линейную характеристику и не требуют специальной управляющей электроники. Светодиод 850 нм стоит около $10, а 1300 нм — около $100. Средний срок службы светодиодов чрезвычайно высок (106 — 108 часов).
ЛД более дорогие, стоят от $100 до $15000. После перехода через пороговое значение, они дают прекрасную линейную характеристику. ЛД часто включают схему управления температурой, так как для них очень важна операционная температура, а для выходной мощности необходима стабилизация обратной связью. Несмотря на все это, у ЛД больше ширина полосы частот модуляции, более узкий несущий спектр, и они генерируют большую мощность. Средний срок службы ЛД ниже, чем у светодиодов, но все же довольно высок (105 - 107 часов).
Всеобщее внимание привлекли новые, недавно появившиеся светодиоды — суперлюминесцентные диоды (СЛД). Технические характеристики СЛД лежат где-то между светодиодами и ЛД.
Для видеонаблюдения светодиоды — достаточно хорошие источники света. ЛД чаще используются в многоканальных широкополосных мультиплексорах, а также в случае протяженных линий из одномодового стекловолокна.
Фотодетекторы в волоконной оптике
Устройства, принимающие оптический сигнал на другом конце оптоволоконного кабеля, называются фотодиодами. В большинстве своем — это действительно тот или иной тип диода.
Основные группы используемых в волоконной оптике фотодиодов:
— P-N фотодиод (PNPD)
— PIN фотодиод (PINPD)
— Лавинный фотодиод (APD)
P-N фотодиод похож на обычный кремниевый P-N диод, чувствительный к инфракрасному свету. Основные его характеристики — низкая чувствительность и большое время нарастания сигнала.
PINPD — это модифицированный P-N фотодиод с внутренним слоем между Р- и N-типами кремния.
Характеризуется высокой чувствительностью и малым временем нарастания сигнала.
Лавинный диод аналогичен PINPD, но имеет одно преимущество — почти каждый падающий на него фотон дает более одной пары электрон/дырка в результате внутренней цепной реакции (лавинный эффект). Лавинный диод более чувствителен, чем PINPD, но дает больше шума.
Все эти базовые устройства комбинируются с каскадами усиления и «трансимпеданса» (усилитель, управляемый током), которые усиливают сигнал до требуемого уровня напряжения/тока.
Частоты передачи в волоконной оптике
Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий.
Эффекты, обусловленные влиянием материала:
— Рэлеевское рассеяние, вызванное неоднородностями в стекловолокне, размеры которых малы по сравнению с длиной волны. На 850 нм затухание за счет рэлеевского рассеяния может достигать 1.5 дБ/км, на 1300 нм эта величина меньше — 0.3 дБ/км, а на 1550 нм еще меньше — 0.15 дБ/км.
— Поглощение. Поглощение происходит в том случае, если в волокне присутствуют гидроксильные ионы и/или ионы металлов. Поглощение сказывается на ослаблении сигнала гораздо меньше, чем рэлеевское рассеяние, и ответственно за 0.2 дБ/км.
Внешние воздействия, приводящие к ослаблению сигнала:
— Микроизгибы. Возникают из-за недостаточной точности изготовления кабеля — неоднородности волоконного кабеля по длине. Это может дать несколько дБ/км.
— Геометрия стекловолокна. Как и предыдущий пункт, но чаще из-за плохого контроля за диаметром при вытяжке кабеля.
На приведенном ниже графике демонстрируется очень важный факт: при передаче сигнала по оптоволоконному кабелю различные длины волн (частоты) ослабляются в разной степени.
Рис. 10.43. Окна в волоконной оптике
Частотные зоны, сосредоточенные вокруг вертикальных штриховых линий, называются окнами волоконной оптики. Всего их три:
— Первое окно на 850 нм
— Второе окно на 1300 нм
— И третье окно на 1550 нм.
Первое окно на самом деле не дает минимального ослабления (в сравнении с более высокими частотами), но именно эта частота была впервые использована в оптической связи. Созданные для этой частоты светодиоды были достаточно эффективны и просты в изготовлении.
Все же это самая подходящая длина волны и самый дешевый способ передачи сигналов на короткие расстояния — как в случае видеонаблюдения.
Все чаще в видеонаблюдении используется длина волны 1300 нм. Эту длину волны предпочитают в профессиональной телекоммуникации, а также в системах видеонаблюдения с протяженными линиями передачи, где высокие цены на источники света не являются доминирующим фактором. Потери на этой частоте гораздо ниже — это тоже видно из графика. Разница в ослаблении сигнала между 850 нм и 1300 нм составляет примерно 2–3 дБ/км.
Длина волны 1550 нм дает еще меньшие потери, и системы будущего ориентируются именно на это окно.
