Optički komunikacijski sustavi. Ako pretpostavimo da je gubitak apsorpcije u staklu, zbog različitih faktora, nezavisan jedan od drugog, odnos je valjan. Efektivni apsorpcioni centri formiraju jone hidroksilne grupe OH, koji su neminovno prisutni
Pošaljite svoj dobar posao u bazu znanja je jednostavan. Koristite donji obrazac.
Studenti, postdiplomci, mladi naučnici koji koriste bazu znanja u svojim studijama i radu će vam biti veoma zahvalni.
Posted on http://www.allbest.ru/
Predavanje 14 Optički sistemi veze
Optički komunikacijski sustavi. Klasifikacija. Sheme. Karakteristike Struktura i elementi komunikacijskih linija. Izvori zračenja. Svjetlosni vodiči. Fizički efekti koji leže u osnovi rada uređaja. Views Konstrukcije. Application.
14.1 Optički komunikacioni sistemi. Klasifikacija. Sheme . Posebne značajke
Intenzivni razvoj sistema optička komunikacija počeo sa pojavom lasera. Međutim, vremenom je postalo jasno da, s izuzetkom nekih slučajeva, otvorene laserske komunikacijske linije ne mogu osigurati potrebnu pouzdanost zbog oštre zavisnosti prigušenja optičkog signala od meteoroloških uvjeta. Stoga je potencijal optičke komunikacije dugo ostao gotovo neostvaren. Tek je sredinom 60-tih godina 20. vijeka nastala ideja o korištenju svjetlosnih vodiča od staklenih vlakana. radioterapija svjetlosni vodič uređaj za pečenje
Funkcije izvršene optički komunikacijski sustavi, (VOSS) se stalno širi. VOSS i njihovo glavni element - optička komunikacijska linija (FOCL) treba zamijeniti kablovske komunikacijske linije u postojećim informacijskim sustavima.
U zavisnosti od strukturne konfiguracije sheme VOSS se može podijeliti u četiri tipa:
uzdužno otvoren (Sl. 1.29, a), zatvoren duž konture (Sl. 1.29, b), radijalan (Sl.1.29, c) i mreža (Sl.1.29, d). Najkraća dužina FOCL-a i najveća lakoća povezivanja terminalnih uređaja (T) osigurani su u prva dva strukturna dijagrama.
Međutim, sa povećanjem broja terminala, raste potrošnja optičke snage i njena raspodjela postaje neujednačena u WOSS strukturama. Zbog toga, prijemnik mora imati široku kontrolu pojačanja dinamičkog raspona. Nedostatak prva dva strukturna chem takođe je nizak propusni opseg zbog sekvencijalnog prolaza informacija.
VOSS radijalne strukture su paralelna kola. type Preporučljivo je koristiti ih sa velikim brojem terminalnih uređaja i malih dužina optičkih vlakana.
Obavezni element radijalne strukture je zajednički za sve uređaje za razmjenu informacija o terminalima (SWI), koji uspostavlja komunikacijske kanale između pretplatnika.
Strukture WOSS mreže su efikasne sa malim brojem krajnjih uređaja. Ovaj tip VOSS ima najveću brzinu, visoku pouzdanost, maksimalnu upotrebu energije koju zrači predajnik. Karakteristično je da lomljenje jedne veze između terminala ne dovodi do kvara čitavog uređaja, tako kao Ponovnom izgradnjom kruga, možete promijeniti smjer prijenosa informacija zaobilazeći viseću vezu.
Zavisno od toga dužina FOCL uključuju sledeće karakteristične grupe:
- dugačke linije, ili prtljažnik;
- linije srednje dužine ili intracity;
-kratko ili interne komunikacijske linije.
Linije magistrale bi trebale imati visoku propusnost (najmanje 10 8 ... 10 10 bit / s) i veliku prijemnu udaljenost (najmanje 7 ... 10 km).
Međugradske linije srednje dužine (l ... 5 km) su namijenjene za komunikaciju između PBX-a i pretplatnika; izgradnja sustava kabelske televizije; Komunikacija središnjih računala visokih performansi s daljinskim prikupljanjem podataka i uređajima primarne obrade; Računalne veze s udaljenim terminalima; komunikacija administrativnih i upravljačkih centara sa odjelima u velikim industrijskim udruženjima.
Kratke linije komunikacije karakterišu široke i raznolike oblasti i uslovi korišćenja. Dužina ovih linija može varirati od jedinica do nekoliko desetina i stotina metara. Relativno duga dužina (100 m) potrebna je za sisteme kao što su: telefonska i video telefonija unutar ureda; industrijski uređaji za daljinsko upravljanje; interne linije informacija velikih pokretnih objekata.
Linije manjeg obima (10 ... 30 m) su potrebne za velike višeprocesorske računarske sisteme, održavanje različitih automatizovanih sistema upravljanja i diskretnih uređaja za automatizaciju.
Čak i kraće linije komunikacije u vrlo velikim količinama su potrebne za intra- i inter-blok veze računara, instalaciju ulaznih blokova instrumentacije koji rade pod uslovima vanjske interferencije.
Posebne karakteristike optički sistemi komunikacija:
- male ukupne dimenzije i težinu mali gustina svih sirovina i napuštanje teških metala. U poređenju sa koherentnim kablovima zasnovanim na koaksijalnim kablovima, dobitak u ovim indikatorima je najmanje 3-5 puta, a ponekad i cijeli poredak;
- dobra elektromagnetska kompatibilnost i visoka otpornost na buku;
- odsustvo zatvorenih komunikacijskih krugova kroz tlo između odašiljača i prijemnika, mogućnost rada s visokim naponima bez odvajanja uređaja;
- širokopojasni (20 ... 200 MHz kada se koriste LED i do 1 ... 3 GHz kada se koriste laseri), za razliku od koaksijalnih sistema, ne dovodi do zavisnosti prigušenja od frekvencije;
- visoku tajnost prijenosa informacija, zbog nedostatka zračenja u okolni prostor vlaknima;
-potencijalno niske cijene zbog zamjene skupih skupih obojenih metala (bakar, olovo) materijalima s neograničenim sirovinama i lakoćom proizvodnje (staklo, kvarc, polimeri);
- Eksplozivno, bez iskrenja i kratkog zatvaranja usistem.
14.2 Sstruktura i elementi komunikacijskih linija
14.2.1 Struktura
Struktura VOSS sadrži elemente koji se mogu kombinovati u tri velike grupe:
-VOLS (prijenosni i prijemni moduli, optički kablovi);
- uređaji za razmjenu informacija (upravljački uređaji i optički prekidači);
- terminalni uređaji (terminali).
Mikroprocesor kontroliše i kontroliše rad uređaja za razmenu informacija, čiji izlaz formira kodove sa uključenim kanalima BOLC.
Linija optičkih vlakana (Sl. 1.30) obuhvata sledeće osnovne strukturne jedinice: ulazni elektronski enkoder (CG), predajni modul, optički kabl, repetitor, prijemni modul, izlazni elektronski uređaj za dekodiranje (DCU).
Modul za prenos pretvara digitalni signal u strujni impuls koji kontroliše LED. Kada se koristi poluvodički laser, modulski sklop sadrži modulator i strujni krug napajanja. Prijemni modul, pored ulaznog fotodiode, uključuje i krug dobitak slabi fotosignali, detektor i izlazno pojačalo. Obično oba modula imati ulazni i izlazni signali na nivoima TTL krugova i pružaju brzine prijenosa informacija do 500 Mbps.
Repetitor je kombinacija prijemnika i predajnika.
U zavisnosti od svrhe linije, her Dužina, brzina, kvalitet korištenih elemenata strukture optičke linije za komunikaciju može biti podvrgnut nekim promjenama. Ako je linija veoma kratka, nema potrebe za repetitorom.
Za kodiranje informacija u optičkim linijama, najpogodnija je pulsno-kodna modulacija, jer značajno smanjuje zahtjeve za linearnost amplitudno-frekvencijskih karakteristika i karakteristika buke repetitora.
Prilikom izgradnje dalekovodnih linija, važno je povećati dozvoljenu duljinu kabela između susjednih transpondera (duljina odjeljka primopredajnika). Da bi se dobila dužina re-prijemnog dijela reda veličine 10 km u linijama s visokom brzinom prijenosa podataka (10 8 bita / s), potrebno je koristiti samohodna vlakna sa gubicima ne većim od 5 dB / km. Kod linija kratke dužine (manje od I km), ultra-visoke brzine prenosa se u načelu mogu postići na vlaknima bilo koje vrste sa relativno velikim gubicima (20 dB / km).
14.2.2 Elementi komunikacionih sistema
Laseri obezbeđuju vlakna optičkih vlakana velike brzine: frekvencija modulacije signala može biti u gigaherc opsegu.
U kvalitetu fotodetektoriza optičke komunikacione linije su fotodiode visoke brzine, osjetljivosti i niske razine buke. Najrasprostranjenija p-i-n struktura. Na kraju za prijem foto-optičkih vlakana treba predvideti optičku snagu od 10 -3 ... 10 -9 W.
U kvalitetu optička pojačalaLaseri koji rade u modu pojačanja ili hibridni optoelektronski repetitori koji se sastoje od fotodetektora, elektronskog pojačala i radijatora mogu se koristiti za regeneraciju svetla na putu.
Ulazni uređaji, izlaz.Ulaz zračenja u vlakno moguć je ako se poprečni presek grede i unutrašnje jezgre vlakna podudaraju
Svjetlosni tok se uvodi u kraj vlakna, tako da mora biti ravan i transparentan, a njegova ravnina je strogo okomita na osu vlakna.
Izlazni krajevi vlakna su zalijepljeni na fotoosjetljive površine fotodioda.
Gubici Frenelovih refleksija od kraja zraka svjetlosti, normalne na njenu površinu, ne prelaze 0,4 dB, a uz posebnu pripremu kraja - 0,05 dB.
Poluprovodnički laseri imaju lošiju radioaktivnost od one u čvrstom stanju. Stoga je za GaAlAs heterolaser sa vlaknom, ovisno o otvoru, postignuta efikasnost unosa: s običnim sirovim staklenim vlaknima - = 70%, s optičkim vlaknima od čistog borosilikatnog stakla - 60%, za standardna vlakna kvarca - 30%.
Situacija je komplikovanija (Sl.1.31) kada se optička vlakna povezuju sa svjetlećim diodama (I), koje imaju široki dijagram zračenja. U najjednostavnijem slučaju, kada je plosnati emiter (2) zalijepljen na kraj višenamjenskog snopa (3) s ljepilom (4), gubitci pakiranja B pakiranja i gubitci otvora B up su prilično značajni.
Za svetlosne vodiče sa velikom otvorom, efikasnost upotrebe krajnje strane je unutar 0.5 ... 0.7, a za one sa malim otvorom 0.4.
Da bi se stvorila pouzdana i kvalitetna veza, hrapavost krajeva vlakna R z mora biti jednaka 0,05, ravnost nije gora od 1 mikrona, a rub koji nije okomit na osu vlakana je unutar 0,5 ... 1,0 o, što je osigurano brušenjem i poliranjem.
Usporedba s poluvodičkim laserima pokazuje da kada se spajaju svjetleće diode s LED diodama visoke svjetlosti mi dodatni gubici na ulazu su 2 ... 4 dB, sa gubicima slabog otvora - 10 ... 12 dB.
Najbolja optička podudarnost postiže se sa malom površinom emitera i poboljšanim dijagramom zračenja koje generira svjetlo (slika 1.3.32). Postavljanje svjetlovodnog vlakna (3)
direktno iznad aktivne oblasti (2) hetero-svetlosne diode (I) omogućava da se smanje gubici do laserskog izvora koji je uporediv sa varijantom.
Kada se koristi rubno zračenje (2) LED (I), uparivanje sa svjetlosnim vodičem (3) (Sl.1.33) izvodi se gotovo na isti način kao kod laserskog izvora:
problem je u tome što LED dioda zrači u jednom smjeru.
Efikasnost ulaza zračenja iz izvora poluprovodnika u vlakna raste sa upotrebom različitih sistema za fokusiranje.
Jedna od pogodnih opcija za implementaciju uređaja za unos objektiva je da se krajevi vlakana istopi njih polukružni oblik.
Split konektori neophodan za prenos informacija na srednjim i bliskim udaljenostima. Optički konektori treba da zadovolje kako slijedi zahtjevi: ostvaruje minimalne gubitke; otporan na mehanička naprezanja, temperaturu i zračenje; štite spoj od izlaganja prašini, vlazi, hemikalijama.
Osnova dizajna konektora je uređaj za podešavanje. To je obično okrugla čahura u kojoj se vlakno fiksira kapljicom epoksidne smole ili drži elastične sile. Ugnježdeni i igličasti dijelovi povezani su s navrtkom. Za međusobno poravnanje čaura, predviđen je orijentacioni rukavac u obliku precizne, čvrste čelične cijevi. Gubitak priključka u utikačima ne prelazi 2 dB.
Niski gubici mogu se postići samo primjenom principa individualne artikulacije pojedinačnih vlakana. U tipičnom dizajnu optičkog sprežnika (Sl.1.34), svako vlakno je centrirano i fiksirano u prostoru između zidova tri elementa za nivelisanje cilindričnog oblika, napravljenih od plastike koja se može kompresirati ili od gume. Vlakna jednog kabla, koji se drže na mjestu pomoću ove matrice plastičnih cilindara, postavljaju se strogo protiv odgovarajućih vlakana drugog kabla, tako da svjetlosni signal prolazi direktno of the jedno vlakno u drugo. Ovaj dizajn je sličan uređajima sa V -oblikovan grooves. on dno od kojih su odvojena vlakna. Navedeni konektor vam omogućava da artikulirate 6 ... 12 vlakana.
Optički konektori sa pojedinačnim spajanjem pojedinačnih vlakana odlikuju se vrlo malim prelaznim gubicima, a unakrsna slabljenja između susjednih kanala prelaze 70 dB.
Za grananje vlakana korištene komunikacijske linije zvezda veza. Osnova spoja je optički mikser, koji je segment monofilamentnog vlakna sa posrebrenim krajem (Sl. 1.35). Zbog efekta višestruke refleksije, ulazni svjetlosni tok u njemu je ravnomjerno raspoređen na sva povezana optička vlakna. Veza sa zvezdicama obezbeđuje minimalan gubitak signala između terminala, isti gubitak za svaki par kanala, slab njihov zavisnost od broja povezanih kanala, visoka pouzdanost komunikacije.77
Lepljenje, lemljenje i zavarivanje se koriste za stvaranje trajnih optičkih veza. Ovim radnjama prethodi poravnanje vlakana koja se spajaju, a koja se izvodi pomoću čvrsto prekrivene okrugle cijevi, metalne cijevi kvadratnog poprečnog presjeka, U-oblika utora, prekida napravljenih od preciznih vodilica,
Prilikom lijepljenja, razmak između krajeva vlakana se sipa kapljicom tekućine za uranjanje, koja koristi epoksidne smole, ljepilo, koje se očvršćava u ultraljubičastim zrakama. Gubici na spojevima su 0,1 ... 0,6 dB.
Lemljenje vlakana izvedeno uz pomoć nisko-temperaturnog stakla. U tom slučaju gubitak u vezi iznosi 0,2 ... 0,45 dB.
Trenutno koristi sljedeće vrste zavarivanja vlaknima:
laser, plazma, plazma-plazma, električni luk, pomoću grijaćeg elementa. Mehanička čvrstoća zavarenog spoja je smanjena za 60 ... 70% u odnosu na čvrstoću samog vlakna, a prosječan gubitak na mjestu zavarivanja ne više od 0,2 ... O, 38 dB.
14. 3 Izvori zračenja
Fiber-optičke komunikacijske linije nameću teže i specifičnije zahtjevi izvora zračenja. Zbog velike dužine vlakna (optičkih vlakana), posebno je potrebna pažljiva koordinacija spektralnih karakteristika emitera i vlakna kako bi se smanjilo prigušenje signala. Količina gubitka prilikom ulaska u zračenje optička vlakna zbog kuta divergencije zraka u zraku zračenja. Budući da brzina širenja zračenja ovisi o valnoj duljini, tijekom tog procesa dolazi do razdvajanja njegovih spektralnih komponenti (kromatske disperzije), što je zamjetnije, to je duže optička linija komunikacija i šira spektralna karakteristika radijatora. Na primjer, sa širinom spektralnog odgovora od 35 ... 45 nm, produkt optičke propusnosti emisije po dužini linije je ograničen na 100 ... I40 MHz * km. Prema tome, prilikom prenošenja optičkih kanala Velika količina informacija zahteva velike brzine emitera.
Na osnovu izvora zračenjaAl xGa 1- xAs imaju najuspješniju kombinaciju svojstava za upotrebu u optičkim komunikacijskim linijama, razvijaju se prvenstveno za te namjene i predstavljaju ili izvore sa zračenjem koje vode okomito na prijelaznu ravan, ili duž njega.
U optičkim komunikacijskim linijama se također koriste laserske diode na Al x Ga 1 x As, koji imaju brzinu do I GHz i kut divergencije od 40 ° x10 °, dok za LED emitore, u najboljem slučaju, ove vrijednosti su 200 MHz i 120 × 40 °. Međutim, emiteri su jeftiniji i manji od laserskih dioda, manje osjetljivi na temperaturne promjene, stabilniji, imaju gotovo linearne watt-amper karakteristike, što je značajno kod rada s analognim signalima.
Prikladni emiteri su LED i laseri na bazi heterostruktureGaAlAs i čvrsto stanje IAG- Nd- laseri koji obezbeđuju značajnu snagu zračenja (~ I0 ... 50 mW) i jednostavnost unosa u vlakno. Za GaAlAs LED diode, tipična vrijednost snage zračenja je 0,1 ... 5 mW.
U kvalitetu prijemniksluži kao jednostruki ili matrični fotodetektor - lavinski fotodioda ili p-i-n fotodioda.
Trenutno se koristi tri Glavni tipovi fotodetektora bazirani na GaAs i Al x Ga 1 - x As: with homojunction, obično dobijene difuzijom cinka, epitaxial withheterojunkcije, schottky barijerne diode.
U homojunction U fotosetima, debljina sloja koji emituje zračenje mora biti minimalna tako da se generacija nosioca događa u blizini pn spoja. Međutim, to povećava serijsku otpornost površinskog sloja i samim tim smanjuje efikasnost konverzije. Spektralna osetljivost takvih uređaja naglo opada sa povećanjem energije fotona. Heterojunkcije lišeni su ovih nedostataka zbog efekta "prozora". Oni se karakterišu sljedeće pogodnosti:
fotoni sa anergijom E g 2\u003e hn\u003e E g 1 prolaze gotovo bez apsorpcije kroz materijal širokog razmaka i apsorbuju se u blizini područja prostornog naboja, formirajući parove elektron-rupa;
faktor odvajanja za takve nosače može biti blizu jedinici, jer se u ovom slučaju apsorpcijska regija gotovo podudara s područjem razdvajanja;
debljina područja široke pukotine heteropata može biti velika, a nivo dopinga je visok, što smanjuje gubitke na unutrašnjem serijskom otporu.
14.4 Svetlosni vodiči. Fizički efekti na kojima se nalazi uređaj . Views Konstrukcije. Application
Prenos svetlosti kroz optička vlakna se zasniva na upotrebi efekat ukupne unutrašnje refleksije, prvo eksperimentalno posmatrano od strane Tyndall-a 1870. Razmotrimo mehanizam transmisije svetlosti na primeru klasične LED - cilindrične dvoslojne vlakne. Budući da je unutrašnja jezgra optički gustija od ljuske (n1\u003e n2), onda je za zrake koje ulaze u LED pod malim kutovima u odnosu na os cilindra zadovoljen uvjet ukupne unutrašnje refleksije. Kao rezultat toga, kada svjetlosni val pada na granicu sa ljuskom, sva njena energija se reflektuje unutar jezgre. Isto se dešava sa svim naknadnim refleksijama. Dakle, svjetlo se širi duž osovine vlakna, bez napuštanja ljuske. Maksimalni kut odstupanja od osi, na kojem je puna unutrašnja refleksija, određeno odnosom
Jednakost (1.8) je važeća za? N = (n1-n2)<=n1 . Величина А 0 называется numerički otvor vlakno i njegova je važna karakteristika kada je usidren sa emiterom. Za stepenaste svjetlosne vodiče A 0 = 0,18 ... 0,23, za gradijent A 0 = 0,13 ... 0,18. Zrake koje padaju na krajnu stranu pod uglom q\u003e q0 (otvorene zrake), pri interakciji sa ljuskom, ne samo da se reflektuju, nego i prelamaju - dio energije napušta jezgru. Na kraju, nakon mnogih susreta sa granicom jezgra - ljuske, takvi zraci su potpuno rasuti od optičkih vlakana.
Zrake se šire duž vlakna čak i ako se indeks refrakcije smanjuje od centra do ruba ne postepeno, već postepeno (obično prema zakonu koji je blizu paraboličnom).
U takvim vlaknima, zbog prelamanja, zrake koje ulaze u krajnju stranu su fokusirane blizu središnje linije. Bilo koji dio vlakana djeluje kao objektiv kratkog fokusa, uzrokujući efekat samo-fokusiranja. Takva vlakna se nazivaju selfiesili vodilice svjetlosti u nagibu.
Optička vlakna su napravljene dvije uobičajene metode.
Metoda taloženja pare baziran na visokotemperaturnoj (I200 ... I600 ° C) reakciji dobijanja čistog kvarca (SiO 2) iz gasne smjese SiCl 4 i O 2. Kroz zagrejanu kvarcnu cev proći smjesu sa dodatkom B 2 O 3 ili BCl 3. U tom slučaju se nanosi sloj kvarca dopiran borom, a zatim se nanosi čisti kvarc. Nakon dobijanja slojeva željene debljine, cijev se jače zagrijava i komprimira na "slam", a iz dobivene gredice izvlači se tanko vlakno. (ris.1.36). U dobijenoj troslojnoj strukturi, čisti kvarc formira unutrašnju žilu koja vodi svetlost, a sloj kvarca dopiran borom sa nižim indeksom prelamanja formira reflektujuću ljusku. Treći sloj materijala originalne kvarcne cijevi nije uključen u prijenos svjetlosti. Potrebna svjetlovodna struktura dobiva se čak i ako je početni sloj (ljuska) načinjen ne od čistog kvarca, već da jezgra koristi doping sa nečistoćama koje povećavaju indeks refrakcije, na primjer, GeO 2, Al 2 O 3, TiO 2, P 2 O 5
Metoda dvostrukog lonca (Sl.1.37) koristi se za dobivanje vlakana iz višekomponentnih stakala sa nižom temperaturom omekšavanja od kvarca. Staklene praznine za stvaranje odgovarajuće jezgre i školjke kontinuirano ulaze u unutrašnje i vanjske lonce odozgo, a iz dna tanke mlaznice izvlači se dvoslojno vlakno. Da bi se osigurala visoka čistoća, lonci su izrađeni od platine ili kvarca, a istezanje se obavlja u uvjetima blizu hermetičke. Opisanom metodu je blizu i takav procesu kojoj se cijev odvojeno proizvodi od materijala omotača i jezgre iz materijala jezgre. Jezgro je umetnuto u cev i vlakna se izvlače iz pripremljenog praznog uzorka. Glavni nedostatak ove metode je poteškoća pri uklanjanju zagađivača sa površina obradaka, koje kasnije oblikuju granicu između jezgre i ljuske.
Drugorazmatrana metoda se sastoji u činjenici da se jednolična staklena šipka dugo drži u vreloj talini soli, a zatim se vlakno izvlači iz predforme koja se obrađuje na takvim slikama. Ionska izmjena koja se javlja između stakla i solne taline smanjuje indeks refrakcije u perifernim područjima, što daje potreban gradijent n.
Kada se deponuje iz parne faze, može se postići najbolji prenos svetlosti, međutim, postoje ograničenja u odnosu na vlaknasti materijal (pogodan je samo kvarc) i dužinu kontinuiranog segmenta vlakana.
Gubici prenosau optičkom mediju zbog djelovanja mehanizama apsorpcija i rasipanje.
Apsorpcija Gubici su prvenstveno posljedica apsorpcije svjetlosti na bojilačkim centrima-iona nečistoća, od kojih je najjači učinak copper-Chrome Metals.
Formiraju se efikasni apsorpcioni centri joni hidroksilne grupe OHkoji su neminovno prisutni u materijalu vlakna.
Scatter loss ovise prvenstveno o prisutnosti mjehurića u staklu ili kvarcu, kristalnim inkluzijama, netopljivom naboju, itd.
Ako se ovi faktori eliminišu, ostaje rayleigh rasipanje uzrokovano fluktuacijama gustine ili sastava materijala po volumenu. Ovi gubici, koji određuju teorijsku donju granicu za optička vlakna, su blizu 0,7 ... 1 dB / km za kvarc sa l = I μm i nešto viši za višekomponentne naočare. Karakteristična karakteristika Rayleigh-ovog rasipanja je zavisnost gubitaka od talasne dužine svetlosti.
Opća formula koja opisuje prigušenje svjetlosnog signala u vlaknu:
(1.9)
gdje je Vp gubitak otvora zbog nepodudarnosti između otvora emitera i optičkih vlakana;
Gubici pakovanja - zbog činjenice da samo dio površine kraja snopa vlakana zauzimaju vodilice svjetla. Parametri Vap i Vup odnose se na dizajn kabla i uređaja za ulaz zračenja;
Vfr-Fresnelov odraz gubitaka sa krajeva optičkih vlakana. U staklu s n ~ 1,6 pri kutovima upada zraka do 60 ° ne prelaze ~ 0,4 ... O, 6 dB;
Votr - gubitak refleksije na granici vene - ljuska sa više totalnih unutrašnjih refleksija
,
o je udio gubitka energije u jednom činu refleksije. At about< 10 -6 что экспериментально наблюдается для достаточно совершенных границ раздела, можно иметь Вотр<= 0,5 дБ с длиной волокна l=1км;
Gubici u apsorpciji u materijalu svetlosnog vodiča.
Zbir određuje krajnje gubitke neovisne o dužini vlakana.
Ako pretpostavimo da je gubitak apsorpcije u staklu, zbog različitih faktora, nezavisan jedan od drugog, odnos
gdje je BP gubitak releja. dB / km;
- specifični gubici za ovu nečistoću;
Ni - koncentracija nečistoća,%.
Suma je linearni gubitak proporcionalan dužini vlakna.
Disperzija Svjetlosni impuls za vrijeme njegovog širenja kroz vlakno uglavnom je određen disperzijom stakla ili zavisnosti indeksa prelamanja od talasne dužine i disperzije valovoda, uzrokovane razlikama u brzinama za širenje valova različitih tipova. Ako za jednostavnost koristimo prikaze geometrijske optike, onda se drugi od navedenih efekata objašnjava razlikom u putanjama svjetlosnog snopa duž osovine vlakna i upada na kraj pod određenim kutom u 0. Očigledno je da će disperzija signala biti veća, što je veća dozvoljena vrednost μ 0, tj. numerička apertura A 0.
Fiber design Ona je izabrana ne samo iz razloga postizanja minimalnih B i? T ukupnih, već i na osnovu više drugih faktora. Posebno, kada se savijaju vlakna kako bi se izbjegli mehanički poremećaji, treba ispuniti uvjet = 10 2 ... 10 3.
Visoki otvor blende Staklena vlakna sa visokim transmisijskim gubicima proizvode se samo kao višemodna dvoslojna vlakna sa odnosom -D2 / D1, po pravilu manjim od 1,1, što je zbog želje da se smanji gubitak pakovanja Bop-a kada se koriste snopovi optičkih vlakana.
For komunikacija na velike udaljenosti kvarcna vlakna.
For kratke linije komunikacije Vlakna se mogu široko koristiti, po svom dizajnu i principu rada, slično višemodnim staklenim vlaknima visokog otvora, ali mnogo deblji (D2 -250 ... 350 µm). Polimer Optička vlakna imaju manji prijenos svjetlosti (Vl = 200 dB / km) i njihove spektralne karakteristike su zadovoljavajuće samo do l = 0.85 ... 0.9 μm.86
Raspon radne temperature ne prelazi 60 ... 80 C, a dugoročna stabilnost parametara je niža od one kod staklenih.
Značajna prednost polimernih vlakana za staklo je veća otpornost na jonizirajuće zračenje, lakoća izrade i niska cijena.
Primjena svjetlosnih vodiča:
-VOLS;
senzori (uključujući senzore koji oponašaju funkcije ljudskih organa i životinja, kao što je "pametna koža" SMARTSKIN(8) );
-interferometri (optički uređaji zasnovani na interferenciji svjetla. Koriste se za mjerenje valnih duljina spektralnih linija, proučavanje njihove strukture, mjerenje nehomogenosti indeksa prelamanja prozirnih medija, defekata reflektirajućih površina, dužina mjerenja, kutnih dimenzija, brzine svjetlosti, itd.).
Posted on Allbest.ru
Slični dokumenti
Fiber-optičke komunikacijske linije kao koncept, njihove fizičke i tehničke osobine i nedostaci. Optička vlakna i njihovi tipovi. Fiber optički kabl. Elektronske komponente optičkih komunikacijskih sistema. Laserski i fotoreceverski moduli za optička vlakna.
sažetak, dodan 19.03.2009
Istorija razvoja komunikacijskih linija. Tipovi optičkih komunikacijskih kablova. Optička vlakna i karakteristike njihove proizvodnje. Dizajn optičkih kablova. Osnovni zahtjevi za komunikacijske linije. Pravci razvoja i karakteristike upotrebe optičkih vlakana.
ispit, dodan 18.02.2012
Analiza lokacije dizajna opreme. Moderni optički prenosni sistemi. Sistemi za daljinsko praćenje optičkih vlakana. Razvoj organizacije okosnice segmenta komunikacione mreže. Proračun pokazatelja uspješnosti projekta.
teza, dodana 24.06.2011
Jednostruki vodiči za svetlo. Multimodna vlakna sa stepenastim profilom. Optička vlakna sa posebnim svojstvima. Polimerna vlakna. Modifikovani EVD proces (MCVD). Principi i značajke izgradnje optičkog prijenosnog sustava.
sažetak, dodan 15.01.2009
Princip rada, otpornost na buku, prednosti i nedostaci atmosfersko-optičkih komunikacionih linija, analiza šema za njihovu izgradnju. Uticaj fluktuacija na kvalitet komunikacije i piezoelektrični efekat. Izvorni (poluvodički laser) i prijemnici zračenja.
teza, dodana 08.03.2014
Distribucija optičkih signala. Koherencija snopa svjetlosti. Analiza izvora nekoherentnog zračenja. Laser energy. Detektori toplinske i fotoelektrične radijacije. Fiber Optic Network. Razvoj optičkih komunikacija.
prezentacija dodana 20.10.2014
Povezivanje optičkih kablova (OK). Razvoj optičke trase radi komunikacije između administrativnih centara područja Habarovsk i Amurskog okruga. Izbor prenosnog sistema i određivanje broja vlakana u OK. Izbor tipa optičkog kabla i opis njegovog dizajna.
seminarski rad, dodan 16.12.2011
Opće karakteristike optičke komunikacije, njena svojstva i primjene. Projektovanje kablovske optičke linije za prenos (FOCL) metodom ovjesa na nosačima visokonaponskog dalekovoda. Organizacija upravljanja ovom komunikacijskom mrežom.
seminarski rad, dodan 23.01.2011
Optičke pojave na sučelju između dva okruženja. Potpuna unutrašnja refleksija. Optički valovodi. Karakteristike širenja valovoda. Normalizovana varijabla. Pravokutni valovodi. Varijacija moda. Optički komunikacijski sustavi.
ispit, dodan 23.09.2011
Radio i mobilne komunikacije. Savremene informacione tehnologije, mreže, njihova klasifikacija, struktura i parametri. Komunikacione linije i njihove karakteristike. Klasifikacija komunikacijskih sistema s pokretnim objektima. Radijalni sistemi, njihove prednosti i nedostaci.
Optičko vlakno se trenutno smatra najsavršenijim fizičkim medijem za prenos informacija, kao i najperspektivniji medij za prenos velikih tokova informacija na značajne udaljenosti. Razlozi za to su izvedeni iz niza svojstava svojstvenih optičkim valovodima.
Optička vlakna imaju sljedeće fizičke karakteristike:
· Širokopojasni optički signali zbog izuzetno visoke frekvencije nosioca. To znači da se informacije mogu prenositi preko optičke komunikacijske linije brzinom od oko 1,1 terabita / s. Drugim rečima, 10 miliona telefonskih razgovora i milion video signala mogu se prenositi istovremeno preko jednog vlakna. Brzina prenosa podataka može se povećati prenošenjem informacija u dva smjera odjednom, jer se svjetlosni valovi mogu širiti u jednom vlaknu nezavisno jedan od drugog. Osim toga, svjetlosni signali dviju različitih polarizacija mogu se širiti u optičkom vlaknu, što vam omogućava da udvostručite propusni opseg optičkog komunikacijskog kanala. Do danas nije dostignuto ograničenje gustine prenošene informacije putem optičkih vlakana;
· Veoma malo (u poređenju sa drugim medijima) slabljenje svetlosnog signala u vlaknu. Najbolji uzorci ruskih vlakana imaju prigušenje od 0,22 dB / km na talasnoj dužini od 1,55 mikrona, što vam omogućava da izgradite komunikacione linije dužine do 100 km bez signala regeneracije. Za poređenje, najbolja Sumitomo vlakna na talasnoj dužini od 1,55 mikrona ima prigušenje od 0,154 dB / km. U američkim optičkim laboratorijama razvijaju se još „transparentniji“ tzv. Fluoro-cirkonatna vlakna sa teoretskom granicom od oko 0,02 dB / km na talasnoj dužini od 2,5 μm. Laboratorijske studije su pokazale da na osnovu takvih vlakana komunikacione linije mogu biti kreirane sa lokacijama regeneracije kroz 4.600 km pri brzini prenosa od 1 Gbit / s.
Tehničke karakteristike vlakana su:
· Vlakno je napravljeno od kvarca, koji je baziran na silicijum dioksidu, rasprostranjen i stoga jeftin materijal, za razliku od bakra;
· Optička vlakna imaju prečnik od oko 1 - 0,2 mm, što je veoma kompaktno i lagano, što ih čini obećavajućim za upotrebu u avijaciji, izradi instrumenata, kablovskoj tehnologiji;
· Staklena vlakna - ne metalna, galvanska izolacija segmenata se automatski postiže prilikom izgradnje komunikacijskih sistema. Koristeći visoko izdržljivu plastiku, samonosivi ovjesni kablovi su napravljeni od fabrika kablova koje ne sadrže metal i stoga su električno sigurne. Takvi kablovi se mogu montirati na jarbolima postojećih energetskih vodova, bilo zasebno ili ugrađenih u fazni vodič, čime se štede znatna sredstva za polaganje kablova kroz rijeke i druge prepreke;
· Komunikacioni sistemi bazirani na optičkim vlaknima su otporni na elektromagnetske smetnje, a informacije koje se prenose putem optičkih vlakana zaštićene su od neovlaštenog pristupa. Linije optičkih vlakana ne mogu se čuti na nedestruktivan način. Svaki uticaj na vlakno može se zabilježiti praćenjem (kontinuirana kontrola) integriteta linije. Teoretski, postoje načini za zaobilaženje zaštite praćenjem, ali troškovi implementacije ovih metoda će biti toliko veliki da prevazilaze troškove presretnutih informacija;
· Da biste otkrili presretnuti signal, potreban vam je prilagođeni Michelsonov interferometar posebne konstrukcije. Štoviše, vidljivost interferencijskog uzorka može biti oslabljena velikim brojem signala koji se istovremeno prenose preko optičkog komunikacijskog sustava. Prenete informacije možete distribuirati preko više signala ili prenositi nekoliko signala šuma, čime se pogoršavaju uslovi za presretanje informacija. To će zahtijevati značajno izvlačenje energije iz optičkog vlakna kako bi se neovlašteno primio optički signal, a ova intervencija se lako registrira od strane nadzornih sistema;
· Važna osobina optičkih vlakana je trajnost. Životni vek vlakana, odnosno očuvanje njegovih svojstava u određenim granicama, prelazi 25 godina, što omogućava postavljanje optičkog kabla jednom i, po potrebi, povećanje kapaciteta kanala zamjenom prijemnika i odašiljača bržim.
Postoje nedostaci u tehnologiji vlakana:
· Prilikom kreiranja komunikacijske linije, potrebni su aktivni visoko pouzdani elementi koji pretvaraju električne signale u svjetlo i svjetlo u električne signale. Potrebni su i optički konektori (konektori) sa malim optičkim gubicima i veliki resurs za isključivanje veze. Tačnost izrade takvih linijskih elemenata treba da odgovara talasnoj dužini zračenja, tj. Greške bi trebale biti reda veličine mikrona. Stoga je proizvodnja takvih komponenti optičkih komunikacijskih linija vrlo skupa;
• Još jedan nedostatak je što za ugradnju optičkih vlakana potrebna je skupa tehnološka oprema: alati za završne radove, konektore, testere, spojnice i spojne kasete;
· Kao rezultat nesreće (prekida) optičkog kabla, troškovi restauracije su veći nego kod rada sa bakrenim kablovima.
Vratimo se na generalizirani blok dijagram optičkog komunikacijskog sustava prikazanog na sl. 1.2. Uključuje sljedeće glavne komponente.
1. Izvor optičkog zračenja.
2. Sredstva za modulaciju signala koji prenosi optičko zračenje.
3. Okruženje u kojem se širi optičko zračenje.
4. Fotodetektor koji pretvara primljeni optički signal u električni.
5. Elektronski uređaji za pojačavanje i obradu signala, koji služe za vraćanje originalnog signala i prezentaciju u pogodnom obliku za upotrebu.
Ovaj blok dijagram je podjednako pogodan i za analogne i za digitalne komunikacijske sisteme koji koriste usmjereno ili otvoreno emitiranje optičkog zračenja. Upotreba optičkih vlakana za prenos optičkih signala omogućava vrlo ograničen broj kombinacija razumno kompatibilnih izvora zračenja i različitih tipova fotodetektora. Kao emiteri mogu se nazvati poluprovodnički izvori zračenja, a kao fotodetektori - poluprovodničke fotodiode. Velika prednost poluprovodničkih LED i lasera kao izvora zračenja je jednostavnost direktne modulacije izračene snage.
Kada se koristi optičko zračenje koje se širi u slobodnom prostoru, broj mogućih kombinacija izvora zračenja, fotodetektora i metoda modulacije je mnogo veći, te u poglavlju. 16 daje kratak pregled nekih komunikacijskih sistema ovog tipa. Glavni uslov za emitere je visok intenzitet zračenja, što obično znači da morate koristiti laser. U ovom slučaju, postoji potreba za spoljnim uređajima za lasersku modulaciju, osim ako se koristi poluvodički laser. Optičko slabljenje na putu
Širenje se često menja, što dovodi do fluktuacija nivoa snage signala na ulazu prijemnika. U analognim komunikacionim sistemima, to onemogućava upotrebu direktnih metoda za modulaciju snage zračenja, pa se stoga često koristi frekvencija subkarijera. U prijemniku se mogu koristiti i poluprovodničke fotodiode i fotomultiplieri, ali izbor vrste fotodetektora ovisi o valnoj duljini na kojoj bi trebao raditi, kao io zahtjevima za dimenzije prijemnika.
Broj najznačajnijih tehničkih karakteristika komunikacijskog kanala uključuje širinu opsega informacija i maksimalnu udaljenost između repetitora. Kao što će se kasnije vidjeti, ova dva parametra su često usko povezana. U paragrafu 1.2 je pokazano da je širina propusnog opsega komunikacionog kanala određena propusnim opsegom u kojem se signal prenosi i odnosom signal-šum na prijemniku. Analizirajmo uticaj svakog od ovih faktora.
Frekvencijski opseg u kojem se prenosi signal može biti ograničen, na gotovo bilo kojoj točki komunikacijskog sistema, dozvoljenom brzinom modulacije izvora zračenja; modulator; medij u kojem se signal širi (ako medij ima disperziju, onda će to izobličiti valni oblik tokom njegovog širenja); foto detektor; elektronski elementi prijemnika.
U praksi je moguće bez ikakvih poteškoća ostvariti modulaciju LED-a s frekvencijama do 100 MHz, te poluvodičkim laserima do 1 GHz. Trenutno dostupne poluprovodničke p-i-n i lavinske fotodiode mogu detektovati optičke signale sa frekvencijom modulacije iznad 1 GHz. Međutim, korišćenje navedenih najviših frekvencija zahteva razvoj potpuno novog veoma složenog pojačala za prijemnik.
Najvažnija je činjenica da je optičko vlakno disperzioni medijum, au procesu širenja svjetlosnih impulsa kroz njega, potonje se širi, a analogni optički signali podliježu faznim distorzijama. U optičkim komunikacionim sistemima, vlakno se ponaša kao filter niskih propusnosti, čija je frekvencija isključenja obrnuto proporcionalna rastojanju, tj. Njegovoj dužini. Zbog toga se optičko vlakno može karakterizirati parametrom koji predstavlja produkt širine pojasa po udaljenosti. U zavisnosti od vrste vlakna i karakteristika izvora zračenja, ovaj proizvod može biti manji od 10 MHz km ili više od 10 GHz km. Disperzija optičkih vlakana je detaljnije opisana u poglavlju br. 2, 5 i 6.
U otvorenim komunikacijskim sistemima, gdje je medij širenja optičkog signala zrak ili slobodni prostor, ne postoji značajna disperzija i, prema tome, nema ograničenja na širinu pojasa komunikacijskog sustava. Broj opcija za izgradnju takvih komunikacionih sistema je toliko velik da je njihovo razmatranje ovdje neprikladno.
Drugi važan parametar komunikacionog sistema je odnos signal-šum, koji se određuje efektivnim nivoom buke na ulazu pojačavača prijemnika i efektivnom snagom optičkog signala na ulazu fotodetektora. Karakteristika optičkih komunikacionih sistema je da šum prijemnika sadrži komponentu koja je direktno proporcionalna snazi primljenog optičkog signala. To je tzv. Fotonska buka, karakteristična za proces detekcije, ograničena kvantnim šumom. Stoga, u većini konvencionalnih optičkih komunikacijskih sistema koji koriste modulaciju optičke snage, nivo buke zavisi od veličine signala. Važno je napomenuti da je buka prijemnika obično minimizirana, međutim, treba imati na umu da se ona obično povećava proporcionalno propusnosti koju zauzima signal.
Snaga ulaznog signala prijemniku ovisi o snazi koju zrači predajnik i slabljenju u komunikacijskom kanalu. Već je gore navedeno da je nivo prigušenja koji se može postići jedan od ključnih parametara koji određuju mogućnosti korišćenja optičkih komunikacionih sistema. Vrlo je poželjno da se procesi pretvaranja signala iz jednog tipa u drugi (električni do optički u emiteru i optički u električni u fotodetektoru) odvijaju sa najvećom mogućom efikasnošću (efikasnošću). Nažalost, efikasnost izvora optičkog zračenja je veoma niska.
U analognim komunikacionim sistemima, odnos signal-šum direktno određuje kvalitet komunikacijskog kanala. U digitalnim sistemima, on određuje vjerovatnoću greške prilikom odlučivanja da li je puls prenešen ili ne. Ovo pitanje se detaljno razmatra u poglavlju br. 15; Međutim, brojevi ispod mogu pomoći u procjeni karakteristika koje se mogu očekivati od digitalnih optičkih komunikacijskih linija. Pogodno je izraziti vrijednosti različitih nivoa snage optičkih signala u relativnim jedinicama, na primjer, na koje oni karakteriziraju nivo snage u odnosu na 1 mW. Takva oznaka je općenito prihvaćena u komunikacijskoj tehnologiji.
Tipičan nivo snage koji se može uvesti u raspoređeno vlakno pomoću LED, je kada se koristi poluvodički laser, može se povećati na minimalnu snagu na ulazu prijemnika, što daje relativno nisku stopu greške, obično je jednaka. Kao primer, razmotrite komunikacioni sistem sa širinom opsega informacija od 10 Mbps. U ovom slučaju, potreban nivo snage na ulazu prijemnika mora biti reda, moramo osigurati dodatnu snagu za gubitak vlakana i marginu snage sustava. Ovo zadnje, jednako 10 dB, je sasvim dovoljno. To dovodi do sljedeće distribucije snage izvora zračenja:
Kada je koeficijent prigušenja u vlaknu 5 dB / km, upotreba LED-a će omogućiti instaliranje repetitora nakon 7,4 km, a laser - nakon 10 km. Podrazumijeva se da karakteristike disperzije vlakana moraju biti usklađene sa potrebnom brzinom prijenosa informacija na ovim udaljenostima. Shodno tome, disperzija vlakna mora biti dovoljno mala da osigura veličinu proizvoda brzine prijenosa informacija za udaljenost jednaku u prvom slučaju iu drugom. Kao što će se kasnije pokazati, vrijednosti prigušenja od 5 dB / km i granica disperzije izgledaju vrlo skromne u usporedbi sa karakteristikama standardnih komunikacijskih sustava koji koriste najnaprednije tipove optičkih vlakana. U mnogim optičkim komunikacionim sistemima razvijenim do danas, opisanim u Ch. 17, postižu se znatno veće udaljenosti između repetitora nego u razmatranom primjeru.
ZADACI
(vidi skeniranje)
(vidi skeniranje)
SAŽETAK
Prednosti i nedostaci optičkih komunikacionih sistema prikazani su u tabeli. 1.1.
Iako hipotetički propusni opseg signala zbog upotrebe frekvencija u optičkom pojasu još nije ostvaren, a širenje svjetlosti u slobodnom prostoru je vrlo ograničene, optička vlakna ipak predstavljaju novi medij za prijenos optičkih signala u komunikacijskim sustavima koji najbolje odgovaraju. digitalni prenosni sistemi sa visokim protokom podataka.
Tabela 1.2 ilustruje upotrebu optičkih vlakana u digitalnim komunikacionim sistemima različitih hijerarhijskih nivoa.
Stvaranje optičkih vlakana sa niskim gubicima (manje od 5 dB / km), kao i visoko intenzivni i lako modulirani poluprovodnički izvori svjetlosti, postavili su optičke komunikacijske linije među lidere u tehničkim specifikacijama koje su temeljne za električne komunikacijske linije.