Следите за нами в социальных сетях:

Единый отраслевой портал по электронике, микроэлектронике и новым технологиям
База знаний

Здесь мы собираем самые интересные статьи, интервью, репортажи и многое другое. Зарегистрируйте личный кабинет и вам будет открыт полный доступ

20-08-2017

Правила хорошего фотона. Радиофотоника: преимущества технологии, области применения и измерительные задачи

8 | 574

Виталий Мораренко, инженер компании Keysight Technologies, ведущий блога по оптике и фотонике


В последние десятилетия в сфере сверхширокополосных систем передачи наблюдается замещение электронных систем на фотонные. Отсутствие заряда и массы наделяет фотон свойствами, невозможными для электрона, в результате чего фотонные системы не подвержены внешним электромагнитным полям и обладают гораздо большей, в сравнении с электронными, дальностью передачи и шириной занимаемой полосы сигнала.

Преимущества, уже реализованные на базе фотоники в сфере телекоммуникаций, дают право говорить о новом отраслевом направлении — радиофотонике, возникшей из слияния радиоэлектроники, интегральной и волновой оптики, СВЧ-оптоэлектроники и ряда других областей науки и промышленного производства.

 

Радиофотоника — новое научно-техническое и технологическое направление, изучающее взаимодействие оптического излучения и радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Направление связано с использованием методов и средств фотоники совместно с радиоэлектронными элементами, узлами и устройствами радиодиапазонов.

Кроме того, радиофотоника представляет собой область радиоэлектроники и радиотехники, в которой реализуется объединение в одном устройстве или его части оптических и радиоэлектронных (радиотехнических) цепей, элементов, схем, устройств (в том числе интегральных), обеспечивающих улучшение параметров — тактико-технических, эксплуатационных и других, а часто и расширение функционала аппаратуры. Это возможно при сближении рабочих частотных диапазонов, радиоэлектронных цепей и устройств и оптических (интегрально-оптических и волоконно-оптических) элементов и схем. Так, при работе аппаратуры в СВЧ-диапазоне совместное (в будущем — интегрированное) использование радиоэлектронных и оптических (фотонных) устройств и элементов позволяет говорить о новом разделе радиотехники, получившем название «микроволновая фотоника» (Microwave Phononics).

Данное направление в областях беспроводной связи и кабельного телевидения получило название Radio over Fiber (ROF), или Radio over Glass (ROG). Суть перечисленных технологий заключается в передаче радиосигнала (на соответствующей несущей, с определенным форматом модуляции или импульсным сигналом, с ЛЧМ и т. д.) по оптоволоконному кабелю с помощью двух ключевых элементов: передатчика (TX — Transmitter) и приемника (RX — Receiver). В основном качество такой системы и определяется этими главными (активными) электрооптическим и оптоэлектронным компонентами (рис. 1).

Рис. 1. Структура системы передачи ВЧ/СВЧ-радиосигнала по волокну

 

Среди областей применения радиофотоники находится большое количество направлений, связанных с передачей радиосигнала на дальние (десятки и сотни метров или несколько километров) расстояния. Из самых востребованных задач можно выделить следующие:

  • Передача с минимальными потерями сигналов спутниковой связи.

  • Распределение сигналов на удаленные антенны.

  • Линии передачи СВЧ-сигналов внутри крупных объектов.

  • Системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

  • Оптические линии задержки и обработки сигналов.

  • Системы калибровки радаров и РЛС.

  • Фазированные антенные решетки (ФАР).

Конечно, любой инженер-оптик не раздумывая назовет большинство фундаментальных преимуществ радиофотонной технологии и вообще волоконно-оптических линий связи в сравнении с проводными (медными) и даже беспроводными системами передачи. В данной статье мы возьмем за основу книгу Урика Винсента Дж.-мл. и других авторов «Основы микроволновой фотоники» и приведем основные теоретические преимущества, базирующиеся на свойствах носителей информации (фотонах) и на свойствах среды распространения (кварцевое оптическое волокно).

Итак, фундаментальные преимущества радиофотоники:

  1. Базирующиеся на фундаментальных свойствах носителей информации: фотон — безмассовая элементарная частица, способная существовать, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона равен нулю. Это обеспечивает:

  • повышенное быстродействие (до десятков фемтосекунд);

  • расширенную полосу пропускания (до терагерцевого диапазона).

  1. Базирующиеся на свойствах среды распространения (кварцевое оптическое волокно). Это обеспечивает:

  • малые потери при передаче (<0,2 дБ/км) и независимость (почти) их от частоты модуляции в радиочастотном диапазоне;

  • расширенную рабочую полосу частот (до 15 ТГц);

  • гораздо лучшие массогабаритные характеристики (волоконный кабель: масса 1,7 кг/км, диаметр 250 мкм; коаксиальный кабель: масса 560 кг/км, диаметр 10 мм);

  • нечувствительность к электромагнитным наводкам (диэлектрик): улучшение электромагнитной совместимости внутри системы, повышение имитостойкости аппаратуры;

  • значительно лучшие фазотемпературные характеристики: фазовая стабильность и возможность когерентного приема и обработки сигналов.

В качестве реально достигнутых практических преимуществ можно привести пример замены узлов РЛС на базе АФАР на радиофотонные, а именно:

  • Возможность работы с пространственным (сейчас до 7 сердцевин в одном волокне, в дальнейшем до 19 сердцевин) и/или спектральным (до 80 оптических несущих по одной сердцевине с шагом 50 ГГц) уплотнением: передача с терабитными скоростями, улучшение массогабаритных характеристик и упрощение схемы диаграммообразующего устройства (ДОУ), многофункциональное (локация, радиоэлектронная борьба (РЭБ), связь, мониторинг), многодиапазонное (от L- до Кa-диапазона) функционирование, связь наземной и бортовой аппаратуры по одному кварцевому волокну (например, для 1500-элементной АФАР).

  • Широкополосность: расширение мгновенной полосы обработки (сейчас до 2–3 ГГц, в будущем до 10 ГГц): повышение скорости и пропускной способности систем обработки.

  • Широкий динамический диапазон тракта приема: повышение скрытности функционирования РЭС за счет работы на фоне сильных сигналов и помех.

  • Малые потери и дисперсия в оптическом волокне: высококачественная передача цифровых и аналоговых СВЧ-сигналов между разнесенными постами аппаратуры, что упрощает размещение аппаратуры на носителях и позволяет создавать когерентный прием в системах распределенной структуры.

 

Основные компоненты радиофотонной системы

Основные компоненты радиофотонной системы, как и любой другой системы связи — это передатчик и приемник. Разумеется, это общие названия. На практике в системах с внешней модуляцией передатчик является более сложным устройством, содержащим источник лазерного излучения и модулятор, не считая электронные схемы управления (микропроцессор) и схемы контроля рабочей точки. В качестве приемников используются различные ВЧ-фотодиоды, а при необходимости детектирования модулированной фазы оптического сигнала — когерентные фотоприемные системы со смешением с опорным сигналом (рис. 2).

Рис. 2. Основные компоненты радиофотонных систем

 

Конечно, роль пассивных оптических компонентов также высока, и использование качественных оптоволоконных кабелей — залог передачи сигнала с минимальными потерями другими искажениями. Для некоторых типов сигналов, форматов и частоты модуляции критичным становится сохранение состояния поляризации по всей длине волокна, так как потери могут возрасти в зависимости от состояния поляризации сигнала на выходе из оптического волокна.

Сегодня немало зарубежных компаний предлагают высокочастотные волоконно-оптические компоненты различного назначения и принципов действия (рис. 3, 4). Это могут быть амплитудные электрооптические модуляторы Маха-Цандера, фазовые электрооптические модуляторы, поляризационные модуляторы, лазерные диоды с прямой модуляцией и аналоговые СВЧ-фотодиоды, балансные фотоприемники, pin-фотодиоды и другие. Сейчас важным направлением развития науки и техники в России является разработка отечественной компонентной базы, в особенности активных электрооптических и оптоэлектронных устройств. При проектировании, исследованиях, опытно-конструкторских работах и производстве необходимо получать полную информацию в широком рабочем частотном диапазоне, то есть всесторонне характеризовать.

Рис. 3. Примеры модуляторов и лазерных диодов, использующихся в радиофотонных системах

   

Рис. 4. Примеры фотоприемных устройств, использующихся в радиофотонных системах

 

Отдельного обсуждения требует тестирование пассивных оптических компонентов (а именно измерение потерь и других базовых параметров), а сейчас предлагаю обсудить характеристики высокочастотных оптоэлектронных (О/Э), электрооптических (Э/О) и оптических (О/О) компонентов в частотной области, то есть в зависимости от частоты модуляции.

 

Частотно-зависимые измерения характеристик О/Э-, Э/О- и О/О-устройств

Компоненты радиофотонных систем передачи необходимо характеризовать в рабочем диапазоне частот модуляции. Такую информацию несут, как известно, S-параметры для ВЧ/СВЧ-устройств. В оптических системах активные компоненты также можно охарактеризовать в зависимости от типа выходных и входных сигналов и соотношений между ними. Для оптических компонентов S-параметры несут определенный смысл, отличающийся от S-параметров ВЧ/СВЧ-устройств. Например, частота отсечки модулирующего сигнала, абсолютная чувствительность, потери на отражение и так далее, но все это с учетом разной природы входных и выходных сигналов. К тому же нельзя измерить параметр S12 ввиду невозможности обратного преобразования сигнала в данных компонентах. Анализаторы оптических компонентов, или АОК (англ. Lightwave Component Analyzer, LCA), представляют собой приборы для измерения электрооптических S-параметров, таких как S21 и S11 или S22. Они основаны на стандартном анализаторе цепей и калиброванном блоке для испытаний электрооптических компонентов.

Процесс измерения параметров электрооптических устройств во многом аналогичен измерению оптоэлектронных устройств. Анализ электрооптического передатчика включает измерение силы тока входного электрического сигнала модуляции и уровня мощности выходного оптического модулированного сигнала. Крутизна характеристики или чувствительность (рис. 5) используется для описания того, как изменение силы тока на входе приводит к изменению уровня мощности на выходе. Измерительный прибор должен определять силу тока входного электрического модулирующего сигнала, уровень мощности выходного оптического модулированного сигнала и отображать отношение обеих величин в Вт/А в линейном масштабе или децибелах.

Для измерения зависимости параметров передачи и отражения электрооптических модуляторов, лазеров и светодиодов от частоты модуляции используется АОК. Здесь можно рассматривать измерения следующих параметров передачи:

  • полоса модуляции и АЧХ;

  • эффективность преобразования;

  • влияние смещения;

  • параметры импульсов;

  • чувствительность отражения;

  • фазовая характеристика модуляции;

  • входной импеданс лазера/модулятора.

 

Рис. 5. Передаточная характеристика О/Э-преобразователей

 

Измерение параметров оптоэлектронного приемника состоит из определения отношения силы тока выходного электрического модулированного сигнала к уровню мощности входного оптического модулирующего сигнала. Чувствительность оптоэлектронных устройств описывает, как изменение уровня оптической мощности приводит к изменению электрического тока. Прибор должен измерять уровень мощности входного оптического модулирующего сигнала, силу тока выходного электрического модулированного сигнала и отображать отношение этих двух величин в Вт/А (рис. 6).

Измерения, которые выполняются на оптических приемниках, во многом подобны тем, что проводятся на источниках оптического излучения, только в данном случае в качестве испытательного сигнала используется модулированный свет, а откликом является демодулированный электрический сигнал. Эти процедуры часто включают:

  • измерение чувствительности и полосы модуляции фотодиода;

  • измерение трансимпедансного усиления фотоприемника;

  • измерение дифференциального усиления, разбаланса и коэффициента подавления синфазного сигнала детектора/приемника с симметричным входом;

  • измерение переходной и импульсной характеристики;

  • измерение и оптимизация выходного электрического импеданса.

 

Рис. 6. Передаточная характеристика Э/О-преобразователей (лазеров и светодиодов)

 

Теперь поговорим о концепции и аппаратной реализации измерительного прибора. Концептуальная блок-схема АОК, реализованного на базе векторного анализатора цепей и блока, осуществляющего преобразование радиосигнала в оптический и наоборот, представлена на рис. 7. Концепция анализа оптических компонентов очень проста. Для этого выполняются измерения линейных параметров передачи и отражения на малых уровнях сигналов различных оптических компонентов. Анализатор оптических компонентов состоит из векторного СВЧ-анализатора цепей с подключенным к нему комплектом для оптических измерений. Для подачи испытательного сигнала на тестируемый компонент используется прецизионный источник электрических (генератор) или оптических (передатчик) сигналов, а для измерения переданных (или отраженных) сигналов предусмотрен очень точный и калиброванный оптический или электрический приемник. Поскольку нужно измерять характеристики в широком диапазоне частот модуляции, выполняется свипирование частоты модуляции в необходимом диапазоне.

Рис. 7. Концептуальная блок-схема анализатора оптических компонентов

 

Сейчас линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies состоит из четырех приборов: N4373D, N4375D, N4376D, N4374B (табл.). В каждой модели опционально можно выбрать необходимый частотный диапазон, конфигурацию векторного анализатора цепей, конфигурацию оптической приставки (например, использование встроенного лазерного излучателя или внешнего — на пользовательской длине волны).

Ключом к выполнению точных Э/О-, О/О- и О/Э-измерений является калибровка измерительных приборов, которая позволяет АОК компенсировать влияние измерительной системы, включая электрические и оптоволоконные кабели, а также сам измерительный прибор. Для этого нужно проделать несколько операций калибровки/настройки.

 

Внешний вид

Модель

Частотные диапазоны

Параметры оптической приставки

Модель векторного анализатора цепей, на базе которого строится прибор

Анализатор оптических компонентов N4374B

4,5 ГГц

Одномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излучения

ENA-C, только 2 порта

Анализатор оптических компонентов N4376D

26,5 ГГц

Многомодовое волокно, 850 нм

PNA, 2 или 4 порта

Анализатор оптических компонентов N4375D

26,5 ГГц

Одномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излучения

PNA, 2 или 4 порта

Анализатор оптических компонентов N4373D

43,5, 50, 67 ГГц

Одномодовое волокно, 1310, 1550 нм или внешний источник излучения (либо многомодовое 850 нм по специальному запросу)

PNA, 2 или 4 порта

Таблица. Линейка анализаторов оптических компонентов компании Keysight Technologies

 

АОК выполняет измерения, перестраивая частоту модулирующего сигнала. Таким образом выполняются измерения в частотной области. Однако АОК может математически преобразовать результаты измерений в частотной области и представить ее во временной области. Можно оценить и реакцию устройства на специальные сигналы, например «ступенька» или «импульс». Преобразование во временную область следует использовать при измерениях передачи и отражения, каждое из которых позволяет по-разному взглянуть на характеристики компонента.

 

Заключение

Итак, радиофотоника, изучающая взаимодействие оптических и СВЧ-сигналов, позволяет создавать электронные устройства с параметрами, недостижимыми традиционными средствами. Сверхширокополосные аналоговые линии связи на ВОЛС, линии задержки, а также использующие элементы радиофотоники фильтры, генераторы и другие устройства СВЧ-диапазона находят применение в системах радиоэлектронной борьбы, радиоэлектронного противодействия и в радиолокационных станциях. Все это — актуальные и перспективные области науки и техники в нашей стране. Вот почему вопросы оснащения контрольно-измерительным оборудованием в таких важных направлениях необходимо доверять надежным производителям, способным обеспечить весь цикл разработки и тестирования: от модели до готового образца, от дискретного или интегрального компонента до законченных узлов и систем.

 

 

Официальный сайт Группы компаний "Диполь": https://www.dipaul.ru

 

 

Понравилась статья? Поставьте лайк


Электроника Контроль, испытания, исследования Электрический контроль Измерительное оборудование Измерительное оборудование Keysight Technologies Keysight Technologies

Читайте также

Не выдержать напряжения. Почему нельзя подключать электронные нагрузки последовательно? Базовые понятия и подходы в использовании источников питания, современные решения и уникальные функции, помогающие решить самые сложные задачи, возникающие при тестировании
Испытания низкого питания Необходимость и проблемы испытания изделий на базе технологии Bluetooth Low Energy
А теперь для протокола LoRaWAN является быстроразвивающейся и относительно новой беспроводной технологией, предлагаемой союзом LoRa Alliance для беспроводных сетей связи дальнего радиуса действия