Time domain optical reflectometer systems investigation

Abstract

The dissertation investigates the optical time domain reflectometer (OTDR) systems. The main object of research is an optical receiver for OTDR. The aim of the work is to create an optical receiver design method-ology to achieve optimal dynamic range of the system for a given band-width, design and investigate integrated fully differential variable gain tran-simpedance amplifier for OTDR optical receiver. Main tasks solved in this work are: perform analysis of OTDR struc-tures, main specifications and suggest possible improvement approaches; analyze main optical receiver noise sources and noise minimization and create generalized noise model; create optical receiver for an OTDR design methodology, that allow calculating avalanche photodiode multiplication factor, transimpedance amplifier feedback resistance and voltage amplifier input transistor dimensions that achieves optimal OTDR dynamic range; design and perform simulations of transimpedance amplifier integrated cir-cuit using AMS 0.35 µm CMOS technology and calculate optical receiver parameters in 0.1–100 MHz range of bandwidths The dissertation consists of four parts including Introduction, 4 chap-ters, Conclusions, References and 1 Annex. The introduction reveals the investigated problem, importance of the thesis and the object of research. It also describes the purpose and tasks, research methodology, scientific novelty, the practical significance of re-sults examined in the paper and defended statements. The introduction ends in presenting the author’s publications on the subject of the defended dis-sertation, offering the material of made presentations in conferences and defining the structure of the dissertation. Chapter 1 revises used literature. At the end of the chapter, conclusions are drawn and the tasks for the dissertation are reconsidered. Chapter 2 is focusing on analysys of optical receiver and its design methodology development. Structure and noise suoces are analysed, noise model is created and noise minimisation is discussed. Chapter 3 and 4 shows designed optical receivers from discrete compo-nents and based on transimpedance amplifier integrated circuit analysis re-sults. 7 presentations on the subject have been given in conferences at na-tional and international level. 5 articles focusing on the subject of the dis-cussed dissertation are published: 4 articles – in the Thomson ISI register and 1 article – in the journal quoted by Copernicus data base.

Disertacijoje nagrinėjamos laiko srities optinės reflektometrinės (OTDR) sistemos. Pagrindinis tyrimo objektas yra OTDR įėjimo pakopa – optinis imtuvas (OI). Disertacijos tikslas – sukurti OI projektavimo metodiką, lei-džiančią pasiekti optimalų dinaminį diapazoną, suprojektuoti ir ištirti integ-rinį diferencinį pereinamos varžos stiprintuvą (PVS) su kintamu stiprinimo koeficientu. Darbe sprendžiami šie uždaviniai: atliekama OTDR ir jų pagrindinių charakteristikų analizė ir formuluojamos tobulinimo kryptys; analizuojami pagrindiniai optinio imtuvo triukšmų šaltiniai, jų mažinimo galimybės ir su-daromas apibendrintas optinio imtuvo triukšmų modelis; sukuriama OI pro-jektavimo metodika, leidžianti apskaičiuoti griūtinio fotodiodo dauginimo faktorių, pereinamosios varžos stiprintuvo grįžtamojo ryšio varžą ir įėjimo tranzistoriaus fizinius matmenis, kuriems esant gaunamas optimalus dina-minis diapazonas; projektuojamas optinio imtuvo maketas iš diskrečiųjų elementų ir tiriami jo parametrai; atliekamas integrinio PVS projektavimas ir modeliavimas, taikant 0,35 µm KMOP technologiją bei optinio imtuvo pa-rametrų skaičiavimas 0,1–100 MHz dažnių juostų diapazone. Disertaciją sudaro įvadas ir keturi skyriai. Pabaigoje pateikiami naudo-tos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai ir 1 priedas. Įvadiniame skyriuje aptariama: tiriamoji problema, darbo aktualumas, aprašomas tyrimų objektas, suformuluotas darbo tikslas bei uždaviniai, ap-rašoma tyrimų metodika, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų prakti-nė reikšmė, ginamieji teiginiai. Skyriaus pabaigoje pristatomos disertacijos tema autoriaus paskelbtos publikacijos ir pranešimai konferencijose bei di-sertacijos struktūra. Pirmasis skyrius skirtas analitinei literatūros apžvalgai. Jame nagrinėja-ma optinių reflektometrų paskirtis, tipai ir matavimo principai. Skyriaus pa-baigoje formuluojamos išvados ir tikslinami disertacijos uždaviniai. Antrasis skyrius skirtas optinių imtuvų analizei ir projektavimo metodi-kos kūrimui. Jame analizuojama optinio imtuvo struktūra, triukšmų šaltiniai, sudaromas matematinis triukšmų modelis, apibrėžiami optimalumo kriteri-jai, pateikiama projektavimo metodika. Trečiame ir ketvirtame skyriuose pateikiami iš diskrečiųjų elementų ir PVS intergrinio grandyno pagrindu sudarytų optinių imtuvų projektavimo ir skaičiavimo rezultatai. Pateikiamos triukšminės ir kitos priklausomybės. Disertacijos tema perskaityti 7 pranešimai Lietuvos bei kitų šalių konfe-rencijose, paskelbti 5 straipsniai: keturi – straipsnių rinkiniuose, įtrauktuose į Thomson ISI sąrašą, vienas – Copernicus duomenų bazėje cituojamame žurnale.