Напрямні системи передачі ВОЛЗ

направляючої системи ПЕРЕДАЧІ ВОЛЗ

1. ПЕРЕВАГИ ВОЛЗ ПЕРЕД ІНШИМИ направляючої системи ПЕРЕДАЧІ

Оптичне волокно в Нині вважається найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самої перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані. Підставою для такого висновку є ряд особливостей, властивих оптичним волокнам.

Фізичні особливості:

1. Скловолокно володіє значною широкосмугового, яка обумовлена ​​надзвичайно високою частотою несучої 10 14 Гц. Це означає, що по оптичних лініях зв'язку можна передавати інформацію зі швидкістю близько 10 12 біт/с. Іншими словами по одному скловолокну можна передати одночасно 10 мілііонов телефонних розмов і мільйон відеосигналів. В оптичному волокні можуть поширюватися світлові сигнали двох різних ортогональних поляризацій, що дозволяє подвоїти пропускну здатність оптичного каналу зв'язку. На сьогоднішній день межа за щільністю переданої інформації з оптичного волокна не досягнуть.

2. Скловолокно володіє дуже малим загасанням (в порівнянні з іншими середовищами). Кращі зразки російського волокна мають згасання 0,22 дБ/км на довжині хвилі 1,55 мкм, що дозволяє будувати лінії зв'язку довжиною до 100 км без регенерації сигналів. Для порівняння, краще волокно Sumitomo на довжині хвилі 1,55 мкм має згасання 0,154 дБ/км. В оптичних лабораторіях США розробляються ще більш "прозорі", так звані фторцірконатние волокна з теоретичним межею порядку 0,02 дБ/км на довжині хвилі 2,5 мкм. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регераціоннимі ділянками через 4600 км при швидкості передачі 1 Гбіт/с.

Технічні особливості:

1. Волокно виготовляється з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеного, а тому недорого матеріалу, на відміну від міді.

2. Оптичні волокна мають діаметр близько 100 мкм, тобто дуже компактні і легкі, що робить їх перспективними для використання в кабельній техніці.

3. Секловолокна НЕ є металом, тому при будівництві систем зв'язку автоматично досягається гальванічна розв'язка сегментів. Застосовуючи особливо міцний пластик, на кабельних заводах виготовляють самонесучі підвісні кабелі, що не містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна монтувати, наприклад, на опорах контактної мережі, заощаджуючи значні кошти на прокладку кабелю і організацію переходів через річки та інші перешкоди.

4. Системи зв'язку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних полів, а передана по світловода інформація захищена від несанкціонованого доступу.

5. Важливою властивістю оптичного волокна є довговічність. Час життя волокна перевищує 25 років, що дозволяє прокласти оптико-волоконний кабель один раз і, в міру необхідності, нарощувати пропускну здатність каналу шляхом заміни передавачів і приймачів на більш швидкодіючі.

Ефективність застосування тих чи інших ліній зв'язку багато в чому залежить від потрібної кількості каналів. Відомо, що із збільшенням кількості каналів вартість 1 кан.-км лінії зв'язку знижується. Доцільність застосування різних направляючих систем передачі в Залежно від потрібного числа каналів наведена на рис. 1.

Як видно з малюнка, найдешевшої є зв'язок по світловод і волноводу, потім йде коаксіальний кабель, і нарешті, найдорожчою є зв'язок по повітряних лініях. Оптичні кабелі доцільно застосовувати при потребі в 1000 і більше каналів. Розглянемо порівняльну вартість 1 кан.-км для цифрових систем передачі

З малюнка видно, що по порівнянні з електричним кабелем вартість зв'язку з оптичним кабелям падає із зростанням числа каналів в більш різкій залежності. Оптичні системи по порівнянні з електричними дорожче при невеликому числі каналів і дешевше при великому числі каналів. В даний час економічно доцільними є ВОЛЗ зі швидкістю 34 Мбіт/с і вище.

Однак, в волоконної технології є і свої недоліки:

1. При створенні лінії зв'язку потрібні високонадійні активні елементи, які перетворюють електричні сигнали в оптичні і навпаки, виробництво яких коштує дуже дорого.

2. Інший недолік полягає в тому, що для монтажу оптичних волокон потрібно прецизійне, про тому дороге технологічне обладнання.

3. Як наслідок, при аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище, ніж при роботі з традиційними кабелями з мідними жилами.

Проте переваги від застосування волоконно-оптичних ліній зв'язку настільки значні, що незважаючи на перераховані недоліки оптичного волокна, дані лінії зв'язку все ширше використовуються для передачі інформації.

2. Структурна схема Волоконно-оптичного зв'язку

Структурна схема передачі інформації по оптичним кабелям наведена на рис. 3.

Інформація, передана абонентами через передавач, надходить на електрооптичний перетворювач (ЕОП), роль якого виконує лазер (Л) або світлодіод (СД). Тут електричний сигнал перетвориться в оптичний і направляється в ОК. На прийомі оптичний сигнал надходить в оптико-електричний перетворювач (ОЕП), в якості якого використовується фотодіод (ФД), перетворюючий оптичний сигнал в електричний. Таким чином, на передавальній стороні від передавача до ЕОП, а також на приймальній стороні від ЕОП до приймача діє електричний сигнал, а від ЕОП до ОЕП по оптичному кабелю проходить оптичний сигнал.

Електричний сигнал, створюваний частотним або тимчасовим методом, модулює оптичну несучу, і в модульованому вигляді світловий сигнал передається по оптичному кабелю. В основному використовується спосіб модуляції інтенсивності оптичної несучої, при якому від апмлітуди електричного сигналу залежить потужність випромінювання, передана в ОК.

Оптичні системи передачі, як правило є цифровими (імпульсними). Це пояснюється тим, що передача аналогових сигналів вимагає високого ступеня лінійності проміжних підсилювачів, яку важко забезпечити в оптичних системах.

Через певні відстані (5, ...., 100 км), обумовлені енергетичним потенціалом апаратури та величиною втрат в ОК, вздовж оптичної лінії розташовуються лінійні регенератори (ЛР), в яких сигнал відновлюється і посилюється до необхідного значення. Крім того, для перетворення коду і узгодження елементів схеми є кодують пристрої - перетворювачі коду (ПК) та согласующие пристрої (СУ). Перетворювач коду формує трубуемую послідовність імпульсів і здійснює узгодження рівнів по потужності між електричними і оптичними елементами схеми (від апаратури ІКМ надходить високий рівень, а для електропреобразователей необхідний досить малий рівень). Передавальні і приймальні согласующие пристрої формують і погоджують діаграми спрямованості (діаграма спрямованості - це тілесний кут, в якому діє максимальна інтенсивність випромінювання) і апертурний кут між приемопередающее пристрій і кабелем. Застосовуються також пристрої введення і виведення випромінювання, зростки, для зрощування оптичних волокон і кабелів, спрямовані відгалужувачі, фільтри та інші елементи оптичного тракту.

3. ПРИНЦИП ДІЇ Світловода. ТИПИ світловодів

волоконних світловодів являє собою тонку двошарову скляну нитку (сердечника і оболонки), кожен елемент якої володіє різним показником заломлення. Показник заломлення (n) прозорої речовини являє собою відношення швидкості світла у вакуумі (с) до швидкості світла в даному речовині (v), тобто n = c/v. Крім того, показник заломлення залежить від параметрів середовища і розраховується за формулою:

,

де і - відносні відповідно діелектрична і магнітна проникності.

Враховуючи, що відносна магнітна проникність прозорої речовини звичайна постійна і дорівнює одиниці, показник заломлення визначиться: для сердечника, для оболонки. Показник заломлення оболонки постійний, а сердечника в заг...альному випадку є функцією поперечної координати. Цю функцію називають профілем показника заломлення.

Для передачі електромагнітної енергії по світловоду використовується відоме явище повного внутрішнього відбиття на межі розділу двох діелектричних середовищ, тому необхідно, щоб n 1 > n 2 .

Розглянемо випадок, коли промінь світла, що поширюється в середовищі з показником заломлення n 1 , зустрічає межу розділу з середовищем, що має менший показник заломлення n 2 (Рис. 4).

У відповідності з законом Снеллиуса, кут в середовищі з меншим показником заломлення більше, ніж кут падіння. При зростанні зростає і, і оскільки більше, стане рівним 90 0 раніше, ніж. Кут падіння, для якого заломлений промінь ковзає по поверхні розділу (тобто, для якого = 90 0 ), називається кутом повного внутрішнього відображення. Кут повного внутрішнього відбиття розраховується за формулою (див. закон Снеллиуса, вважаючи, що = 90 0 ):

.

Якщо кут падіння більше (промінь 3), то промінь не заходить у другу середу, а повністю відбивається всередину першого серед. Саме цей принцип повного внутрішнього відбиття дозволяє оптичним волокнам проводити світло.

В залежності від величини кута, який утворює з віссю промені, що виходять з точкового джерела в центрі торця світловода (рис. 3), виникають хвилі випромінювання 1, хвилі оболонки 2 і сердечника 3. В осерді і оболонці існує два типи променів: меридіональні, які перетинаються в деякій точці з віссю світловода, і косі, які з віссю світловода НЕ перетинаються. Тут показані тільки мердіональние промені. Якщо кут падіння електромагнітної хвилі на кордон сердечник-оболонка більше кута повного внутрішнього відображення, то промінь повністю відбивається на кордоні і залишається всередині сердечника (промінь 3).

Таке пояснення направленості світла засноване на законах геометричної оптики і не враховує властивостей світла як електромагнітної хвилі. Облік хвильових властивостей дозволив встановити, що з усієї сукупності світлових променів в межах кута повного внутрішнього відбиття для даного світловода тільки обмежене число променів з дискретними кутами може утворювати направляються хвилі, які називають також хвилеводними модами. Ці промені характеризуються тим, що після двох послідовних перевідбиттів від кордону сердцечнік-оболонка хвилі повинні бути у фазі. Якщо ця умова не виконується, то хвилі інтерфіріруют так, що гасять один одного і зникають. Кожна волноводная мода має характерною для неї структурою електромагнітного поля, фазової та групової швидкостями.

Хвилі випромінювання рапределяются безперервно по всій належної їм області кутів і утворюють неперервний спектр. Хвилі оболонки і хвилі випромінювання - паразитні хвилі, які відбирають енергію джерела порушення і зменшують корисну енергію, передану по сердечнику. Ці хвилі важко повністю виключити при порушенні світловода. Крім того, вони також виникають на геометричних Нерегулярні світловода і неоднорідностях матеріалу.

Залежно від числа розповсюджуються на робочій частоті хвиль (мод) світловоди поділяють на одно-і багатомодові. Число мод залежить від співвідношення діаметра сердечника світловода і довжини хвилі і розраховується за формулою

,

де а-радіус осердя волокна,

- довжина хвилі світла,

- відносна різниця показників заломлення.

.

Так як n 1 і n 2 мають дуже близькі значення, номінальна величина для більшості оптичних волокон знаходиться в межах = 0,28 - 2,1%.

Гідністю одномодових світловодів є мала дисперсія (спотворення сигналів), велика інформаційно-пропускна здатність і велика дальність передачі. Одномодові системи є найбільш перспективним напрямком розвитку техніки передачі інформації.

У багатомодових світловодах імпульс на прийомі розширюється і спотворюється. Дисперсія в багатомодових світловодах суттєво обмежує смугу переданих частот і дальність передачі.

Для характеристик світловода важливе значення має профіль показника заломлення в поперечному перерізі. Якщо сердечник світловода має постійне по радіусу значення показника заломлення, то такі світловоди називаються световодами зі східчастим профілем показника заломлення (спостерігається сходинка n на кордоні сердечник-оболонка).

Для боротьби з уширением імпульсів в оптичних волокнах з ступінчастим профілем показника заломлення розроблений інший тип багатомодового волокна, який знайшов набагато більш широке застосування в далекого зв'язку - оптичні волокна з градієнтним профілем показника заломлення. У таких скловолокна показник заломлення від центру сердечника до краю змінюється плавно. Хід променів в градієнтному світловоді показаний на рис. 6.

Промені тепер вигинаються в напрямку градієнта показника заломлення (замість заломлення або повного відображення, як у випадку волокна зі східчастим профілем).

У показник заломлення для градієнтних світловодів описується функцією

,

де r - поточний радіус;

n 1 - найбільше значення показника заломлення сердечника;

g - коефіцієнт, визначає вид профілю показника заломлення.

При g = формула описує ступінчастий профіль показника заломлення. При g = 2 світловоди називають параболічними, так як профіль показника заломлення описується параболою. На практиці волокна з градієнтним профілем показника заломлення мають g близько 1.92 і майже параболічний профіль.

Одномодові волокна можна розділити на дві категорії: звичайні або волокна з незміщеною дисперсією, які випускаються для апаратури, що працює на довжині хвилі 1,3 мкм, і волокна зі зміщеною дисперсією, які випускаються для роботи на довжині хвилі 1,55 мкм. Поняття зміщеної або незміщеної дисперсії пов'язані з довжиною хвилі, на якій волокно має найбільшу смугу пропускання.

На відміну від багатомодових волокон, одномодові волокна випускають з різним профілем показника заломлення оболонки. При цьому розрізняють волокна з вирівняною оболонкою, показник заломлення якої відповідає показнику заломлення скловолокон зі ступінчастим профілем і вирівняний з показником заломлення чистого кварцу, і втиснула оболонкою, в якій матеріал оболонки складається з двох зон (рис. 7). Показник заломлення (n 3 ) внутрішньої, сусідній з сердечником зони має значення менше або утиснений щодо показника заломлення зовнішнього зони, що дорівнює показнику заломлення чистого кварцу (n 2 ).

У волокнах зі зміщеною дисперсією показник заломлення сердцечніка має більш складну форму. На рис. 8 наведені приклади профілів показників заломлення для вирівняною і втиснула оболонками і труегольним профілем показника заломлення сердечника.

В одномодових волокнах зі зміщеною дисперсією для складних профілів показника заломлення визначення діаметра сердечника представляє певні труднощі, тому для таких світловодів вводиться поняття діаметра поля моди. Враховуючи, що інтенсивність світла по перерізу сердечника одномодового світловоду розподілена нерівномірно і підпорядковується, як правило, нормальному закону, то радіальне відстань, на якому інтенсивність падає в 1/е 2 = 0,135 відносно пікового значення називається радіусом поля моди і позначається. Подвоєна величина 2 і являє собою діаметр поля моди (рис. 9).

Важливою характеристикою світловода є числова апертура NA (Numerical Aperture), яка являє собою синус від апертурного кута. Апертурний кут - це кут між оптичною віссю і однією з утворюючих світлового конуса, що впливає на торець світловода.

Таким чином,

де n 0 - показник заломлення навколишнього середовища.

У відповідності з законом Снеллиуса, маємо

Від значення NA залежать ефективність вве...дення випромінювання лазера або світлодіода в світловод, втрати на мікровигини, дисперсія іімпульсов, число розповсюджуються мод.

Неважко переконатися, що між числовий апертурою і відносною різницею показників заломлення існує зв'язок

Чим більше у волокон, тим більше NA, чим легше здійснювати введення випромінювання від джерел світла в світловод.

4. Планарного СВЕТОВОД

планарних світловод є основою майже всіх пристроїв інтегральної оптики: модуляторів, перемикачів, дефлекторів світла, мікролазерів, з'єднувачів, фільтрів, спрямованих відгалужувачі і т.д. Він складається з планарної плівки або смужки з малим оптичним поглинанням і показником заломлення (n 1 ) вище, ніж у підкладки (n 2 ) і навколишнього середовища (n 0 ) (рис.10). Тобто

оптичний волокно планарний світловод

Виходячи з того, чи відчуває однорідна плоска хвиля переломлення, або повне внутрішнє відображення, що залежить від кута нахилу променя, розрізняють три види хвиль (мал.11).

Просторова хвиля може приходити з простору 0. Так як n 1 > n 2 > n 0 , То вона не відбивається повністю ні на одній з граничних поверхонь. Такі просторові хвилі можуть також приходити з підкладки або від будь-якого джерела, що знаходиться в плівці; для них характерний тільки кут падіння, що перевищує граничний кут повного відбивання на границі плівки і зовнішнього простору.

Хвилі підкладки можуть приходити з підкладки; після заломлення в плівці їх кут падіння настільки Однак просторі. Корисні формулою

,

розпиленням.

У деяких В якості прикладу наведемо

Для виготовлення Для цього, плівки. 13б).