Оптические волокна (150491)

Посмотреть архив целиком

http://monax.ru/order/ - рефераты на заказ (более 2300 авторов в 450 городах СНГ).



Оптическое волокно считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется âîëîêîííîé îïòèêîé.

В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. В сеть тихоокеанских ВОЛС вошли Тайвань, Гонконг, Малайзия, Сингапур, Филиппины, Бруней, Тайланд, а также Корея и КНР. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами ВОЛС С.-Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург - Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами ВОЛС Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, ВОЛС давно уже нашли самое широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности.


ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО КАК СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Оптическое волокно (ОВ) является средой передачи информации в оптических системах связи. Первое оптическое волокно с потерями 20 дБ/км (на длине волны 0.633 мкм) было изготовлено фирмой Corning Glass Works в 1970 г. Однако прогресс в этой области был настолько стремителен, что уже в 1972 г. потери в ОВ достигли 4 дБ/км, а современные волокна имеют потери менее 0.2 дБ/км (на длине волны 1.55 мкм). Причем столь малые потери сигнала сохраняются в очень широком диапазоне частот модуляции света и уменьшение амплитуды сигнала с ростом частоты модуляции обусловлено дисперсией, которая для современных волокон со смещенной дисперсией составляет величину порядка 3 пс/нм.км. Таким образом, полоса пропускания собственно волокна может превышать 100 ГГц.км. Изначально волокно, получаемое в процессе изготовления, было исключительно хрупким. Для его функционирования в качестве надежного высококачественного компонента системы, волокно не должно иметь изъянов и быть защищенным от механического воздействия. Перед ведущими учеными всего мира в течение многих лет стояла, в качестве основной, сложная задача развития технологии производства для достижения высокой механической прочности, надежности и высококачественных передаточных характеристик оптических волокон. Эти задачи в настоящее время успешно решены. Современное волокно может быть завязано в узел диаметром 5 мм и при этом не разрушается. Технические же характеристики современных ОВ в плане передачи информации настолько высоки, что они находятся вне конкуренции с другими средами передачи данных. Развитие поколений волоконной оптики шло следующим образом: 

Системы первого поколения (1978-1982):

Длина волны 0,85 mм,

Многомодовое градиентное волокно,

AlGaAs/GaAs светодиодный или лазерный передатчик, кремниевый детектор.

Системы второго поколения (1983>):

Длина волны 1,3 mм,

Одномодовое волокно,

InGaAsP/InP лазерный (или светодиодный) передатчик, Ge детектор.

Системы третьего поколения (1989>):

Длина волны 1,3 mм, 1,55 mм,

Одномодовое волокно (также волокно со смещенной дисперсией),

InGaAsP/InP лазерный передатчик, InGaAsP/InP детектор.


.






























Конструкция оптического волокна

Оптическое волокно состоит из световедущей сердцевины, окруженной оболочкой, у которых разные показатели преломления.

Оба элемента производятся из высокочистого кварцевого стекла. Полученное в процессе вытяжки оптическое волокно затем покрывается одним или двумя слоями защитного пластикового покрытия, распространенным материалом для которого является акрилат. От покрытия зависит прочность волокна. В основе распространения света по сердечнику лежит принцип полного внутреннего отражения, который реализуется за счет того, что коэффициент преломления сердечника выше коэффициента преломления оболочки. На входе волоконно-оптического тракта модулируемый источник света преобразует входные электрические сигналы в модулированный (как правило по интенсивности) свет, который распространяется по волокну, связанному с источником. На другом, принимающем конце линии оптические сигналы преобразуются фотодетектором обратно в электрические сигналы. На линиях большой протяженности иногда используются регенераторы, состоящие из приемника, усилителя и передатчика. В современных Волоконно Оптических Линиях Связи также находят применение оптические усилители.

Оптическое волокно представляет собой цилиндр из легированного кварцевого стекла. Для передачи сигналов используются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Название волокна получили от способа распространения излучения в них. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода) (рис.1).




Рис.1


В многомодовом волокне размер световодной жиды порядка 50-60мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод) (рис.2).



Рис.2


Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а на рассеяние – от неоднородностей показателя преломления материала.







Рис.3


Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времени спекртальных и модовых составляющих оптического сигнала. Существует три типа дисперсии:

модовая дисперсия – присуща многомодовому волокну и обусловлена наличиембольшого числа мод, время распространения которых различно.

материальная дисперсия – обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

волноводная дисперсия – обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны, Одномодовый волвкна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе прокускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями.

Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином "полоса пропускания" - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.



























Параметры оптических волокон


Геометрические параметры оптических волокон.

Среди геометрических параметров ОВ выделяют параметры кварцевого световода и параметры покрытия. Первые являются наиболее существенными и определяют тип световода. Наиболее важный параметр ОВ - диаметр сердцевины, поскольку геометрические размеры и профиль показателя преломления сердцевины определяют модовый состав ОВ. Под диаметром сердцевины понимают диаметр центральной области ОВ с высоким значением показателя преломления. Под диаметром сердцевины понимают диаметр по уровню 0.1 от максимального значения коэффициента преломления (на оси ОВ). Структура ОВ с указанием типичных параметров показана на рис.4.




Рис.4. Структура оптического волокна

Кроме вышеперечисленных, к геометрическим параметрам относятся: длина волоконного световода, некруглость (овальность) сердцевины (для МОВ), некруглость (овальность) оболочки, неконцентричность (некоаксиальность, концентричность, коаксиальность) сердцевины и оболочки, концентричность (коаксиальность, неконцентричность, некоаксиальность) покрытия.


Оптические параметры волокон.

К оптическим параметрам ОВ отнесем следующие характеристики:

- коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки

- разность показателей преломления

- относительная разность показателей преломления

- групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления

- профиль показателя преломления

- диаметр модового поля (для ООВ)

- числовая апертура, длина волны среза (для ООВ)

Коэффициент преломления является одной из основных физических характеристик оптических сред и равен корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости среды для электромагнитных волн оптического диапазона. Естественно, показатель преломления зависит от химического состава вещества и имеет различное значение для разных длин волн распространяющегося света. Так для чистого кристаллического кварца в диапазоне длин волн 185 - 3000 нм показатель преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей меняется от1.676 до 1.499 и от1.689 до 1.507 соответственно.

В оптических волокнах применяется плавленый кварц, а необходимый показатель преломления достигается путем легирования кварца. Типичные значения показателя преломления лежат в диапазоне 1.46 - 1.47. При этом отличие показателя преломления сердцевины от показателя преломления оболочки составляет порядка 1% для многомодовых ОВ и менее 0.4% для одномодовых. Общепринятые обозначения для показателя преломления сердцевины - n1, оболочки - n2. Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 имеет типовое значение порядка 0.01 для МОВ, менее 0.004 для ООВ, обозначается Dn и вычисляется по формуле:

Dn = n1 - n2

где n1 - максимум показателя преломления сердцевины ОВ,
n2 - показатель преломления оболочки.

Под относительной разностью показателей преломления D понимают величину, равную отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины:

D = (n12 - n22)/2n12 » (n1 - n2)/n1

Эффективный групповой показатель преломления. В волоконно-оптических линиях связи передаются импульсные сигналы, обладающие достаточно сложным спектром. При этом каждая волна, соответствующая некоторой спектральной составляющей, движется со своей фазовой скоростью Vф. В результате волновой пакет, или импульс, движется с групповой скоростью Vгр. Для распространения импульса в бесконечной среде с показателем преломления n верны следующие соотношения:

Vф = c/n, (2.5) Vгр = c/nгр , (2.6) nгр = n - l(dn/dl), (2.7)

где l и c - длина волны и скорость света в вакууме,
nгр - групповой показатель преломления,
dn/dl - производная показателя преломления по длине волны света.

Аналогично для световода эффективный групповой показатель преломления вводится как коэффициент, показывающий во сколько раз скорость распространения импульсных сигналов по световоду меньше скорости света в вакууме. При этом групповая скорость для m-й моды ОВ вычисляется как производная угловой частоты света по постоянной распространения m-й моды:


Случайные файлы

Файл
160430.rtf
18828.rtf
150126.rtf
177817.rtf
32299.rtf