Optički komunikacijski sustavi. Ako pretpostavimo da je gubitak apsorpcije u staklu, zbog različitih čimbenika, neovisan jedan o drugome, odnos je valjan. Efektivni apsorpcijski centri tvore ione hidroksilne skupine OH, koji su neizbježno prisutni
Pošaljite svoje dobro djelo u bazu znanja je jednostavno. Koristite donji obrazac.
Studenti, diplomski studenti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u studiranju i radu bit će vam vrlo zahvalni.
Objavljeno http://www.allbest.ru/
Predavanje 14 Optički sustavi komunikacija
Optički komunikacijski sustavi. Klasifikacija. Shema. Značajke. Struktura i elementi komunikacijskih linija. Izvori zračenja. Svjetlosni vodiči. Fizički učinci na kojima se temelji rad uređaja. Vrsta. Dizajn. Primjena.
14.1 Optički komunikacijski sustavi. Klasifikacija. sheme , Posebne značajke
Intenzivni razvoj sustava optička komunikacija počeo s pojavom lasera. Međutim, s vremenom je postalo jasno da, osim u nekim slučajevima, otvorene laserske komunikacijske linije ne mogu osigurati potrebnu pouzdanost zbog oštre ovisnosti prigušenja optičkog signala o meteorološkim uvjetima. Stoga je potencijal optičke komunikacije dugo ostao gotovo neostvaren. Tek je sredinom 60-ih godina 20. stoljeća nastala ideja o korištenju svjetlosnih vodiča od staklenih vlakana. posuda za svjetlo za zračenje
Funkcije izvršene komunikacijski sustavi s optičkim vlaknima, (VOSS) koji se neprestano širi. Voss i njihove glavni element - optička komunikacijska linija (FOCL) treba zamijeniti kabelske komunikacijske linije u postojećim informacijskim sustavima.
ovisno o iz strukturne konfiguracije shema VOSS se može podijeliti u četiri vrste:
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 duljina FOCL-a i najveća lakoća povezivanja terminalnih uređaja (T) dani su u prva dva strukturna dijagrama.
Međutim, s povećanjem broja terminala, povećava se potrošnja optičke snage i njena raspodjela postaje neujednačena u WOSS strukturama. Stoga prijemnik mora imati široku kontrolu pojačanja dinamičkog raspona. Nedostatak prva dva strukturna cporub također je niska propusnost zbog sekvencijalnog prolaska informacija.
VOSS radijalne strukture su paralelni krugovi. tipa. Preporučljivo je koristiti ih s velikim brojem terminalnih uređaja i malih duljina optičkih vlakana.
Obvezni element radijalne strukture je zajednički za sve uređaje za razmjenu informacija o terminalima (SWI), koji uspostavlja komunikacijske kanale između pretplatnika.
Strukture WOSS mreže djeluju s malim brojem krajnjih uređaja. Ovaj tip VOSS-a ima najveću brzinu, visoku pouzdanost, maksimalnu upotrebu energije koju zrači predajnik. Karakteristično je da lomljenje jedne veze između terminala ne dovodi do kvara cijelog uređaja, tako kao Ponovnom izgradnjom sklopa, možete promijeniti smjer prijenosa informacija zaobilazeći viseću vezu.
Ovisno o tome opseg FOCL uključuju sljedeće karakteristične skupine:
- duge linije, ili deblo;
- srednje duljine ili intracity;
skraćeno, ili unutarnje komunikacijske linije.
Glavne linije trebaju imati visoku propusnost (najmanje 10 8 ... 10 10 bit / s) i veliku prijemljivu udaljenost (najmanje 7 ... 10 km).
Međugradske linije srednje duljine (l ... 5 km) namijenjene su za komunikaciju između PBX-a i pretplatnika; izgradnja sustava kabelske televizije; komunikacija središnjih računala visokih performansi s uređajima za daljinsko prikupljanje podataka i primarnu obradu; računalne veze s udaljenim terminalima; komunikacija upravnih i upravljačkih centara s odjelima u velikim industrijskim udruženjima.
Kratke linije komunikacije karakteriziraju široka i raznolika područja i uvjeti korištenja. Duljina ovih linija može varirati od jedinica do nekoliko desetaka i stotina metara. Za takve sustave kao što su: telefonska i video telefonija unutar ureda potrebna je relativno velika dužina (100 m); industrijski uređaji za daljinsko upravljanje; unutarnje informacijske linije velikih pokretnih objekata.
Linije manjeg opsega (10 ... 30 m) potrebne su za velike višeprocesorske računalne sustave, održavanje raznih automatiziranih upravljačkih sustava i diskretnih uređaja za automatizaciju.
Čak i kraće komunikacijske linije u vrlo velikim količinama potrebne su za unutar-i međublokacijske veze računala, instalaciju ulaznih blokova instrumentacije koji rade pod uvjetima vanjske interferencije.
Posebne značajke svjetlovodni sustavi komunikacije:
- male ukupne dimenzije i težinu mali gustoće svih sirovina i napuštanje zaslona od teških metala. U usporedbi s koherentnim kabelima temeljenim na koaksijalnim kabelima, dobitak u ovim pokazateljima je najmanje 3-5 puta, a ponekad i cijeli poredak;
- dobra elektromagnetska kompatibilnost i visoka otpornost na buku;
- nepostojanje zatvorenih komunikacijskih krugova kroz tlo između odašiljača i prijemnika, mogućnost rada s visokim naponom bez odvajanja;
- širokopojasni (20 ... 200 MHz pri upotrebi LED-a i do 1 ... 3 GHz pri korištenju lasera), za razliku od koaksijalnih sustava, ne dovodi do ovisnosti prigušenja o frekvenciji;
- visoku tajnost prijenosa informacija zbog odsutnosti vlakana u okolni prostor;
- potencijalno niski troškovi zbog zamjene skupih skupih obojenih metala (bakar, olovo) materijalima s neograničenim sirovinama i lakoćom proizvodnje (staklo, kvarc, polimeri);
- Eksplozivno, bez iskrenja i kratkog zatvaranja usustav.
14,2 ° Cstruktura i elementi komunikacijskih linija
14.2.1 Struktura
struktura VOSS sadrži elemente koji se mogu kombinirati u tri velike grupe:
-VOLS (prijenosni i prijemni moduli, svjetlovodni kabel);
- uređaji za razmjenu informacija (upravljački uređaji i optički prekidači);
- terminalni uređaji (terminali).
Mikroprocesor kontrolira i kontrolira rad uređaja za razmjenu informacija, čiji izlaz formira kodove izmijenjenih kanala BOLC.
Svjetlovodna komunikacijska linija (Sl. 1.30) obuhvaća sljedeće osnovne strukturne jedinice: ulazni elektronički davač (CG), odašiljački modul, optički kabel, repetitor, prijemni modul, izlazni elektronički dekoderski uređaj (DCU).
Modul za prijenos pretvara digitalni signal u strujni impuls koji kontrolira LED. Kada se koristi poluvodički laser, modulski sklop sadrži modulator i strujni krug napajanja. Modul za primanje, osim ulazne fotodiode, uključuje krug dobit slabi fotosignali, detektor i izlazno pojačalo. Obično oba modula su ulazni i izlazni signali na razinama TTL krugova i pružaju brzine prijenosa informacija do 500 Mbps.
Repetitor je kombinacija prijemnika i odašiljača.
Ovisno o svrsi linije, svoj Duljina, brzina, kvaliteta korištenih elemenata strukture optičke linije za komunikaciju može se promijeniti. Ako je linija vrlo kratka, nema potrebe za repetitorom.
Za kodiranje informacija u svjetlovodnim linijama, najprikladnija je pulsno-kodna modulacija, jer značajno smanjuje zahtjeve za linearnost amplitudno-frekvencijskih karakteristika i karakteristike buke repetitora.
Prilikom izgradnje dalekovodnih vodova važno je povećati dopuštenu duljinu kabela između susjednih transpondera (duljina odjeljka primopredajnika). Da bi se dobila duljina reekspozicijskog dijela reda veličine 10 km u vodovima s visokom brzinom prijenosa podataka (10 8 bit / s), potrebno je koristiti samohodna vlakna s gubicima ne većim od 5 dB / km. U vodovima kratke duljine (manje od I km), stope ultra visokog prijenosa mogu se načelno postići na vlaknima bilo koje vrste s relativno velikim gubicima (20 dB / km).
14.2.2 Elementi komunikacijskih sustava
Laseri pružaju vlakna optičkih vlakana velike brzine: frekvencija modulacije signala može biti u gigahercnom rasponu.
U kvaliteti fotodetektorimaza optičke komunikacijske linije su fotodiode visoke brzine, osjetljivosti i niske razine šuma. Najrasprostranjenija p-i-n struktura. Na prijemnom kraju svjetlovodnog voda optička snaga treba biti jednaka 10 -3 ... 10 -9 W.
U kvaliteti 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 svjetla na putu.
Ulazni uređaji, izlaz.Ulaz zračenja u vlakno moguć je ako se poprečni presjeci grede i unutarnje jezgre vlakna podudaraju,
Svjetlosni tok se uvodi u kraj vlakna, tako da mora biti ravan i proziran, a njegova ravnina je strogo okomita na os vlakna.
Izlazni krajevi vlakna su zalijepljeni na fotoosjetljiva područja fotodioda.
Fresnelovi refleksijski gubici s kraja zraka svjetlosti, normalni na njegovu površinu, ne prelaze 0,4 dB, a uz posebnu pripremu kraja - 0,05 dB.
Poluvodički laseri imaju lošiju usmjerenost zračenja nego one u čvrstom stanju. Stoga je za GaAlAs heterolaser s vlaknom, ovisno o otvoru posljednje, postignuta učinkovitost: s običnim sirovim staklenim vlaknima - = 70%, s optičkim vlaknima od čistog borosilikatnog stakla - 60%, za standardna vlakna kvarca - 30%.
Situacija je složenija (Sl.1.31) kod spajanja optičkih vlakana 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 svjetlosno vodljive s velikom otvorom, učinkovitost korištenja krajnjeg lica je unutar 0,5 ... 0,7, a za one s niskim otvorom 0,4.
Da bi se stvorila pouzdana i kvalitetna veza, hrapavost kraja vlakna R z mora biti jednaka 0,05, ravnost nije gora od 1 mikrona, rub koji nije okomit u odnosu na os vlakna unutar 0,5 ... 1,0 o, što je osigurano brušenjem i poliranjem.
Usporedba s poluvodičkim laserima pokazuje da pri spajanju svjetlećih dioda s LED s visokim otvorom e dodatni gubici na ulazu su 2 ... 4 dB, s gubicima s malim otvorom - 10 ... 12 dB.
Najbolja optička podudarnost postiže se s malom površinom emitera i poboljšanim dijagramom zračenja koje generira svjetlo (Slika 1.3.32). Postavljanje svjetlovodne vlaknaste jezgre (3)
izravno iznad aktivnog područja (2) hetero-svjetlosne diode (I) omogućuje smanjenje gubitaka do laserskog izvora usporedivog s varijantom.
Kada se koristi rubno zračenje (2) LED (I), uparivanje sa svjetlosnim vodičem (3) (Sl. 1.3.3) izvodi se gotovo na isti način kao kod laserskog izvora:
problem je u tome što LED zrači u jednom smjeru.
Učinkovitost ulaza zračenja iz izvora poluvodiča u vlakna raste s upotrebom različitih sustava za fokusiranje.
Jedna od prikladnih opcija za primjenu uređaja za unos leća je da se krajevi vlakana istope im polukružni oblik.
Split priključci potrebne za prijenos informacija na srednjim i bliskim udaljenostima. Optički konektori trebali bi zadovoljiti sljedeće zahtjevi: ostvariti minimalne gubitke; otporan na mehanička naprezanja, temperaturu i zračenje; štiti spoj od izloženosti prašini, vlazi, kemikalijama.
Osnova dizajna konektora je uređaj za podešavanje, To je obično okrugla čahura u kojoj se vlakno fiksira kapljicom epoksidne smole ili drži elastičnim silama. Ugnježdeni i igličasti dijelovi povezani su s navrtkom. Za međusobno poravnavanje čahura predviđen je orijentacijski rukavac u obliku precizne, čvrste čelične cijevi. Gubitak priključka u utikačima ne prelazi 2 dB.
Niski gubici mogu se postići samo primjenom principa pojedinačne artikulacije pojedinih vlakana. U tipičnom obliku optičkog sprežnika (Sl. 3.4) svako je vlakno centrirano i fiksirano u prostoru između zidova triju nivelmanskih elemenata cilindričnog oblika, napravljenih od plastike koja se može komprimirati ili gume. Vlakna jednog kabela, koji se drže na mjestu pomoću matrice plastičnih cilindara, postavljeni su strogo protiv odgovarajućih vlakana drugog kabela, tako da svjetlosni signal prolazi izravno od jedno vlakno u drugo. Ovaj dizajn je sličan uređajima s V rešetku u utori. na dno kojih su odvojena vlakna. Navedena spojnica omogućuje artikulaciju 6 ... 12 vlakana.
Optički konektori s pojedinačnim spajanjem pojedinačnih vlakana karakterizirani su vrlo malim prijelaznim gubicima, a poprečno slabljenje između susjednih kanala prelazi 70 dB.
Za razgranate vlakne korištene komunikacijske linije zvijezda veza, Osnova spoja je optički mikserkoji je segment monofilamentnog vlakna s posrebrenim krajem (Sl. 1.35). Zbog utjecaja višestruke refleksije, ulazni svjetlosni tok u njemu je ravnomjerno raspoređen na sva povezana optička vlakna. Zvjezdana veza osigurava minimalan gubitak signala između terminala, isti gubitak za svaki par kanala, slab njihov ovisnost o broju povezanih kanala, visoka pouzdanost komunikacije.77
Lijepljenje, lemljenje i zavarivanje koriste se za stvaranje trajnih veza optičkih vlakana. Ovim operacijama prethodi poravnavanje vlakana, koja se izvode pomoću čvrsto prekrivene okrugle cijevi, metalne cijevi kvadratnog poprečnog presjeka, U-oblika utora, prekida oblikovanih preciznim vodilicama,
Prilikom lijepljenja, razmak između krajeva vlakana izlije se kapljicom tekućine za uranjanje, koja koristi epoksidne smole, ljepilo, sušeno u ultraljubičastim zrakama. Gubici na spojevima su 0,1 ... 0,6 dB.
Lemljenje vlaknima izvedene pomoću stakla niske temperature. U tom slučaju gubitak u vezi iznosi 0,2 ... 0,45 dB.
Trenutno se koristi sljedeće vrste zavarivanja vlaknima:
laser, plazma, plazma-plazma, električni luk, koristeći grijaći element. Mehanička čvrstoća zavarenog spoja je smanjena za 60 ... 70% u odnosu na čvrstoću samog vlakna, te prosječan gubitak na mjestu zavarivanja nije više od 0,2 ... O, 38 dB.
14. 3 izvori zračenje
Linije optičkih vlakana nameću jače i specifičnije zahtjevi izvora zračenja, Zbog velike duljine vlakna (optičkih vlakana), posebno je potrebno pažljivo usklađivanje spektralnih karakteristika emitera i vlakna kako bi se smanjilo prigušenje signala. Količina gubitka pri ulasku u zračenje optičko vlakno 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, dulje optička linija komunikaciju i širu spektralnu karakteristiku radijatora. Primjerice, s širinom spektralnog odgovora od 35 ... 45 nm, produkt optičke propusnosti emisije po duljini linije ograničen je na 100 ... I40 MHz * km. Stoga, kod prijenosa od strane optičkih kanala Velika količina informacija zahtijeva velike brzine emitera.
Na temelju izvora zračenjaal xga 1- xkao imaju najuspješniju kombinaciju svojstava za uporabu u optičkim komunikacijskim linijama, razvijaju se prvenstveno za te svrhe i predstavljaju ili izvore s zračenjem koji vode okomito na prijelaznu ravninu, ili duž njega.
U optičkim komunikacijskim linijama također se koriste laserske diode na Al x Ga 1 x As, koji imaju brzinu do I GHz i kut divergencije od 40 ° x10 °, dok je za LED emitera u najboljem slučaju te vrijednosti 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 iAG čvrstog stanja- Sjeverna Dakota- laseri koji osiguravaju značajnu snagu zračenja (~ 10 ... 50 mW) i jednostavnost unosa u vlakno. Za GaAlAs LED diode, tipična vrijednost snage zračenja je 0,1 ... 5 mW.
U kvaliteti prijamniksluži kao jednostruki ili matrični fotodetektor - lavinska fotodioda ili p-i-n fotodioda.
Trenutno se koristi tri Glavni tipovi fotodetektora na bazi GaAs i Al x Ga 1 - x As: s homojunkcijom, obično dobiven difuzijom cinka, epitaksijalan scijni, schottky-jeve barijere diode.
gomoperehodnyh U fotosetima, debljina sloja koji emitira zračenje mora biti minimalna tako da se generacija prijenosnika događa u blizini pn spoja. Međutim, to povećava serijski otpor površinskog sloja i stoga smanjuje učinkovitost pretvorbe. Spektralna osjetljivost takvih uređaja naglo opada s povećanjem energije fotona. heterojunctions lišeni su tih nedostataka zbog učinka "prozora". Oni su karakterizirani sljedeće pogodnosti:
fotoni s anergijom E g 2\u003e hn\u003e E g 1 prolaze gotovo bez apsorpcije kroz materijal širokog razmaka i apsorbiraju se u blizini područja prostornog naboja, tvoreći parove elektron-rupa;
faktor odvajanja za takve nosače može biti blizu jedinici, budući da se u tom slučaju područje apsorpcije gotovo podudara s područjem razdvajanja;
debljina područja široke pukotine heteropatha može biti velika, a razina dopinga je visoka, što smanjuje gubitke na unutarnjem serijskom otporu.
14.4 Svjetlosni vodiči. Fizički učinci na kojima se nalazi uređaj , Vrsta. Dizajn. primjena
Prijenos svjetlosti kroz svjetlovodna vlakna temelji se na uporabi ukupni učinak unutarnje refleksije, prvi eksperimentalno promatrati Tyndall u 1870. Razmislite mehanizam prijenosa svjetla na primjeru klasične LED - cilindrični dvoslojni vlakna. Budući da je unutarnja jezgra optički gusta od ljuske (n1\u003e n2), tada je za zrake koje ulaze u LED pod malim kutovima u odnosu na os cilindra zadovoljen uvjet ukupne unutarnje refleksije. Kao rezultat toga, kada svjetlosni val pada na granicu s ljuskom, sva njena energija se reflektira unutar jezgre. Isto se događa kod svih naknadnih razmišljanja. Dakle, svjetlo se širi duž osi vlakna, bez napuštanja ljuske. Maksimalni kut odstupanja od osi, na kojem je puna unutarnji odraz, određeno omjerom
Jednakost (1.8) vrijedi za? N = (n1-n2)<=n1 . Величина А 0 называется numerički otvor vlakna i njegova je važna karakteristika kada je usidren s emiterom. Za stepenaste svjetlosne vodiče A 0 = 0,18 ... 0,23, za gradijent A 0 = 0,13 ... 0,18. Zrake koje padaju na krajnju stranu pod kutom q\u003e q0 (zrake otvorenog otvora), u interakciji s ljuskom, ne samo da se reflektiraju, nego i prelamaju - dio energije napušta jezgru. Na kraju, nakon mnogih susreta s granicom jezgre - ljuske, takve su zrake potpuno raspršene od optičkih vlakana.
Zrake se šire duž vlakna čak i ako se indeks refrakcije smanjuje od središta do ruba ne postupno, već postupno (obično prema zakonu koji je blizu paraboličnom).
U takvim vlaknima, zbog refrakcije, zrake koje ulaze u krajnju stranu su fokusirane blizu središnje linije. Bilo koji dio vlakana djeluje kao objektiv kratkog fokusa, što uzrokuje efekt samo-fokusiranja. Takva se vlakna nazivaju selfokamiili vodilice svjetla u nagibu.
Optička vlakna su napravljene dvije uobičajene metode.
Metoda taloženja pare bazirano na visokotemperaturnoj (I200 ... I600 ° C) reakciji dobivanja čistog kvarca (Si02) iz smjese plinova SiCl4 i O2. Kroz zagrijanu kvarcnu cijev proći smjesu s dodatkom B 2 O 3 ili BCl 3. U tom se slučaju nanosi sloj kvarca dopiran borom, a zatim se nanosi čisti kvarc. Nakon dobivanja slojeva željene debljine, cijev se snažnije zagrijava i komprimira na "slam", a iz dobivene smjese izvlači se tanko vlakno. (Ris.1.36). U dobivenoj troslojnoj strukturi, čisti kvarc tvori unutarnju žilu koja vodi svjetlo, a sloj kvarca dopiran borom s nižim indeksom loma oblikuje reflektirajuću ljusku. Treći sloj materijala izvorne kvarcne cijevi nije uključen u prijenos svjetlosti. Potrebna svjetlosno vodljiva struktura dobiva se čak i ako je početni sloj (ljuska) načinjen ne od čistog kvarca, već da jezgra koristi doping s nečistoćama koje povećavaju indeks loma, npr. 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 s nižom temperaturom omekšavanja od kvarca. Staklene kuglice za stvaranje odgovarajuće jezgre i školjke kontinuirano ulaze u unutarnje i vanjske lonce odozgo, a dvoslojno vlakno se izvlači s dna tanke mlaznice. Da bi se osigurala visoka čistoća, lonci su izrađeni od platine ili kvarca, a istezanje se provodi u uvjetima koji su blizu hermetičkom. Opisanoj metodi je blizu i takav procesu kojima je cijev odvojeno izrađena od materijala omotača i jezgre iz materijala jezgre. Jezgra se umetne u epruvetu i vlakna se izvlače iz pripremljenog slijepog uzorka. Glavni nedostatak ove metode je poteškoća uklanjanja zagađivača s površina obradaka, koje zatim oblikuju granicu između jezgre i ljuske.
drugorazmatrana metoda sastoji se u činjenici da se jednolična staklena šipka dugo drži u vrućoj solnoj talini, a zatim se vlakno izvlači iz predforme obrađene na takvim slikama. Ionska izmjena koja dolazi između stakla i solne taline smanjuje indeks loma u perifernim područjima, što daje potreban gradijent n.
Kada se taloži iz parne faze, može se postići najbolji prijenos svjetlosti, međutim, postoje ograničenja u odnosu na vlaknasti materijal (pogodan je samo kvarc) i duljina kontinuiranog segmenta vlakana.
Gubitak prijenosau optičkom mediju zbog djelovanja mehanizama apsorpcija i raspršivanje.
apsorpcija Gubici su prvenstveno posljedica apsorpcije svjetla na središtima bojanja - iona nečistoća, od kojih je najjači učinak metali bakar-krom.
Formiraju se učinkoviti apsorpcijski centri ioni hidroksilne skupine OHkoji su neizbježno prisutni u materijalu vlakna.
Gubitak raspršenja ovise prvenstveno o prisutnosti mjehurića u staklu ili kvarcu, kristalnim inkluzijama, netopljivom naboju, itd.
Ako su ti čimbenici eliminirani, ostaje rayleigh raspršivanje uzrokovano fluktuacijama gustoće ili sastava materijala prema volumenu. Ti gubici, koji određuju teorijsku donju granicu za optička vlakna, su blizu 0,7 ... 1 dB / km za kvarc s l = I μm i nešto viši za višekomponentna stakla. Karakteristična značajka Rayleigh-ovog raspršenja je ovisnost gubitaka o valnoj duljini svjetlosti.
Opća formula koja opisuje prigušenje svjetlosnog signala u vlaknu:
(1.9)
pri čemu je Vp gubitak otvora zbog nepodudarnosti otvora emitera i optičkih vlakana;
Gubici zbog pakiranja zbog činjenice da samo dio površine kraja snopa vlakana zauzimaju vodilice svjetla. Parametri Vap i Vup povezani su s konstrukcijom kabela i uređaja za unos zračenja;
Vfr-Fresnelovi refleksijski gubici s krajeva optičkih vlakana. U staklu s n ~ 1,6 pri kutovima upada zraka do 60 ° ne prelazi ~ 0,4 ... O, 6 dB;
Votr - gubitak refleksije na granici vene - ljuska s više ukupnih unutarnjih refleksija
,
o je udio gubitka energije u jednom činu refleksije. Oko< 10 -6 что экспериментально наблюдается для достаточно совершенных границ раздела, можно иметь Вотр<= 0,5 дБ с длиной волокна l=1км;
Gubici apsorpcije u materijalu svjetlosnog vodiča.
Zbroj određuje krajnje gubitke neovisne o duljini vlakana.
Ako pretpostavimo da je gubitak apsorpcije u staklu, zbog različitih faktora, neovisan jedan o drugome, to je omjer
gdje je BP gubitak releja. dB / km;
- specifični gubici za tu nečistoću;
Ni. - koncentracija nečistoća,%.
Zbroj je linearni gubitak proporcionalan duljini vlakana.
disperzija Svjetlosni impuls za vrijeme njegovog širenja kroz vlakno uglavnom je određen disperzijom stakla ili ovisnosti indeksa loma o valnoj duljini i disperziji valovoda, uzrokovane razlikama u brzinama za širenje valova različitih tipova. Ako za jednostavnost koristimo prikaze geometrijske optike, tada se drugi od navedenih efekata objašnjava razlikom u putanjama svjetlosnog snopa uzduž osi vlakna i upada na kraj pod određenim kutom u 0. Očito je da će disperzija signala biti veća, što je veća dopuštena vrijednost μ 0, tj. numerički otvor A 0.
Dizajn vlakana Ona je izabrana ne samo zbog postizanja minimalnih B i? T ukupnih, već i na temelju više drugih čimbenika. Posebno, kada se savija vlakno kako bi se izbjegli mehanički poremećaji, treba ispuniti uvjet = 10 2 ... 10 3.
Visok otvor blende Staklena vlakna s visokim gubitkom pri prijenosu proizvode se samo kao višemodna dvoslojna vlakna s omjerom -D2 / D1, u pravilu manjim od 1,1, što je zbog želje da se smanji gubitak pakiranja Bop-a kada se koriste snopovi optičkih vlakana.
za komunikacija na velike udaljenosti kvarcna vlakna.
za kratke linije komunikacije Vlakna se po svojoj izvedbi i principu rada mogu široko koristiti, slično višemodnim staklenim vlaknima visokog otvora, ali mnogo deblja (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 dugotrajna stabilnost parametara je manja od one staklenih.
Značajna prednost polimernih vlakana prema staklu je veća otpornost na ionizirajuće zračenje, lakoća proizvodnje i niska cijena.
Primjena svjetlosnih vodiča:
-VOLS;
senzori (uključujući senzore koji oponašaju funkcije ljudskih organa i životinja, kao što je "pametna koža" SMARTKOŽA(8) );
-interferometri (optički uređaji temeljeni na interferenciji svjetla. Koriste se za mjerenje valnih duljina spektralnih linija, proučavanje njihove strukture, mjerenje nehomogenosti indeksa loma prozirnih medija, defekata reflektirajućih površina, dužina mjerenja, kutnih dimenzija, brzine svjetlosti itd.).
Objavljeno na Allbest.ru
Slični dokumenti
Fiber-optičke komunikacijske linije kao koncept, njihove fizičke i tehničke značajke i nedostaci. Optička vlakna i njezini tipovi. vlakno optički kabel, Elektroničke komponente optičkih komunikacijskih sustava. Laserski i fotoreceverski moduli za optička vlakna.
sažetak, dodan 19.03.2009
Povijest razvoja komunikacijskih linija. Vrste optičkih komunikacijskih kabela. Optička vlakna i značajke njihove proizvodnje. Dizajn optičkih kabela. Osnovni zahtjevi za komunikacijske linije. Pravci razvoja i značajke uporabe optičkih vlakana.
ispit, dodan 18.02.2012
Analiza mjesta projektiranja opreme. Suvremeni optički prijenosni sustavi. Sustavi za daljinsko praćenje optičkih vlakana. Razvoj organizacije okosnice segmenta komunikacijske mreže. Izračun pokazatelja uspješnosti projekta.
teza, dodana 24.06.2011
Jednostruki svjetlosni vodiči. Multimodna vlakna sa stepenastim profilom. Optička vlakna s posebnim svojstvima. Polimerna vlakna. Modificirani EVD proces (MCVD). Načela i značajke izgradnje optičkog prijenosnog sustava.
sažetak, dodan 15.01.2009
Princip rada, otpornost na buku, prednosti i nedostaci atmosfersko-optičkih komunikacijskih linija, analiza shema za njihovu izgradnju. Utjecaj fluktuacija na kvalitetu komunikacije i piezoelektrični efekt. Izvorni (poluvodički laser) i prijemnici zračenja.
teza, dodana 08.03.2014
Distribucija optičkih signala. Koherencija svjetlosnog snopa. Analiza izvora nekoherentnog zračenja. Laserska energija. Detektori toplinske i fotoelektrične radijacije. Svjetlovodna mreža. Razvoj optičkih komunikacija.
prezentacija je dodana 20.10.2014
Povezivanje optičkih kabela (OK). Razvoj optičke rute u svrhu komunikacije između administrativnih središta područja Habarovsk i Amurskog okruga. Izbor prijenosnog sustava i određivanje broja vlakana u OK. Izbor vrste optičkog kabela i opis njegovog dizajna.
seminar, dodan 16.12.2011
Opća obilježja optičkih komunikacija, njena svojstva i primjene. Projektiranje kabelske svjetlovodne prijenosne linije (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 unutarnja refleksija. Optički valovodi. Značajke širenja valovoda. Normalizirana varijabla. Pravokutni valovodi. Varijacija načina. Optički komunikacijski sustavi.
ispit, dodan 23.09.2011
Radio i mobilne komunikacije. Suvremene informacijske tehnologije, mreže, njihova klasifikacija, struktura i parametri. Komunikacijske linije i njihove karakteristike. Klasifikacija komunikacijskih sustava s pokretnim objektima. Radijalni sustavi, njihove prednosti i nedostaci.
Optičko vlakno se trenutno smatra najsavršenijim fizičkim medijem za prijenos informacija, kao i najperspektivniji medij za prijenos velikih struja informacija na značajne udaljenosti. Razlozi za to proizlaze iz niza značajki svojstvenih optičkim valovodima.
Optička vlakna imaju sljedeće fizičke značajke:
· Širokopojasni optički signali zbog izuzetno visoke frekvencije prijenosnika. To znači da se informacije mogu prenositi preko optičke komunikacijske linije brzinom od oko 1,1 terabita / s. Drugim riječima, 10 milijuna telefonskih razgovora i milijun video signala mogu se istovremeno prenositi preko jednog vlakna. Brzina prijenosa podataka može se povećati prijenosom informacija u dva smjera odjednom, budući da se svjetlosni valovi mogu širiti u jednom vlaknu neovisno jedan o drugom. Osim toga, svjetlosni signali dviju različitih polarizacija mogu se širiti u optičkom vlaknu, što vam omogućuje da udvostručite propusnost optičkog komunikacijskog kanala. Do danas nije dosegnuta granica gustoće prenesene informacije putem optičkih vlakana;
· Vrlo malo (u usporedbi s drugim medijima) prigušenje svjetlosnog signala u vlaknu. Najbolji uzorci ruskih vlakana imaju prigušenje od 0,22 dB / km na valnoj duljini od 1,55 mikrona, što vam omogućuje da izgradite komunikacijske linije duljine do 100 km bez regeneracijskih signala. Za usporedbu, najbolja Sumitomo vlakna na valnoj duljini od 1,55 mikrona imaju prigušenje od 0,154 dB / km. U američkim optičkim laboratorijima razvijaju se još »transparentniji« tzv. Fluoro-cirkonatna vlakna s teoretskom granicom od oko 0,02 dB / km na valnoj duljini od 2,5 μm. Laboratorijske studije su pokazale da se na temelju takvih vlakana mogu stvarati komunikacijske linije s regeneracijskim mjestima kroz 4.600 km pri brzini prijenosa od 1 Gbit / s.
Tehničke značajke vlakana su sljedeće:
· Vlakno je izrađeno od kvarca, koji je baziran na silicij-dioksidu, rasprostranjen i stoga jeftin materijal, za razliku od bakra;
· Optička vlakna imaju promjer od oko 1 - 0,2 mm, vrlo kompaktan i lagan, što ih čini obećavajućim za uporabu u zrakoplovstvu, izradi instrumenata, kabelskoj tehnologiji;
· Staklena vlakna - ne metalna, galvanska izolacija segmenata se automatski postiže tijekom izgradnje komunikacijskih sustava. Koristeći vrlo izdržljivu plastiku, samonosivi ovjesni kabeli izrađeni su od tvornica kabela koje ne sadrže metal i stoga su električno sigurne. Takvi se kabeli mogu montirati na jarbolima postojećih vodova, bilo zasebno ili ugrađenih u fazni vodič, čime se štede znatna sredstva za polaganje kabela kroz rijeke i druge prepreke;
· Komunikacijski sustavi temeljeni na optičkim vlaknima otporni su 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. Bilo kakav utjecaj na vlakno može se zabilježiti praćenjem (kontinuiranom kontrolom) cjelovitosti linije. Teoretski, postoje načini zaobilaženja zaštite praćenjem, ali troškovi provedbe tih metoda bit će toliko veliki da premašuju troškove presretnutih informacija;
· Za otkrivanje presretnutog signala potreban vam je Michelsonov interferometar s posebnim dizajnom. Štoviše, vidljivost interferencijskog uzorka može biti oslabljena velikim brojem signala koji se istovremeno prenose preko optičkog komunikacijskog sustava. Možete distribuirati prenesenu informaciju preko više signala ili prenositi nekoliko signala šuma, čime se pogoršavaju uvjeti za presretanje informacija. To će zahtijevati značajno povlačenje energije iz vlakana kako bi se neovlašteno primio optički signal, a ta intervencija se lako registrira sustavima praćenja;
· Važno svojstvo optičkih vlakana je trajnost. Životni vijek vlakana, odnosno očuvanje njegovih svojstava unutar određenih granica, prelazi 25 godina, što omogućuje postavljanje kabela s optičkim vlaknima jednom i, prema potrebi, povećanje kapaciteta kanala zamjenom prijemnika i odašiljača bržim.
Postoje nedostaci u tehnologiji vlakana:
· Prilikom stvaranja 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) s malim optičkim gubicima i veliki resurs za isključivanje veze. Točnost izrade takvih elemenata linije treba odgovarati valnoj duljini zračenja, tj. Pogreške bi trebale biti reda veličine mikrona. Stoga je proizvodnja takvih komponenti optičkih komunikacijskih linija vrlo skupa;
Još jedan nedostatak je u tome što za ugradnju optičkih vlakana potrebna je skupa tehnološka oprema: alati za završne radove, konektore, ispitivače, spojnice i spojne kazete;
· Kao posljedica nesreće (prekida) optičkog kabela, troškovi restauracije su veći nego kod rada s bakrenim kabelima.
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 se prenose optičkim zračenjem.
3. Okolina u kojoj 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 izvornog signala i prikazivanje u prikladnom obliku za uporabu.
Ovaj blok dijagram jednako je prikladan i za analogne i za digitalne komunikacijske sustave pomoću usmjerenog ili otvorenog prijenosa optičkog zračenja. Uporaba optičkih vlakana za prijenos optičkih signala omogućuje vrlo ograničen broj kombinacija razumno kompatibilnih izvora zračenja i različitih tipova fotodetektora. Kao emiteri možemo nazvati poluvodičkim izvorima zračenja i kao fotodetektore - poluvodičke fotodiode. Velika prednost poluvodičkih LED i lasera kao izvora zračenja je jednostavnost izravne 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 sustava ovog tipa. Glavni zahtjev za emitere je visoki intenzitet zračenja, što obično znači da trebate koristiti laser. U tom slučaju postoji potreba za vanjskim uređajima za lasersku modulaciju, osim ako se koristi poluvodički laser. Optičko prigušenje na putu
razmnožavanje se često mijenja, što dovodi do fluktuacija razine snage signala na ulazu prijemnika. U analognim komunikacijskim sustavima, to onemogućuje korištenje izravnih metoda za moduliranje snage zračenja, pa se stoga često koristi frekvencija subcarrier. U prijemniku se mogu koristiti i poluvodičke fotodiode i fotomultipliperi, ali izbor vrste fotodetektora ovisi o valnoj duljini na kojoj bi trebao raditi, kao io zahtjevima za dimenzije prijemnika.
Broj dviju najvažnijih tehničkih karakteristika komunikacijskog kanala uključuje njegovu širinu pojasa informacija i maksimalnu udaljenost između repetitora. Kao što ćemo vidjeti kasnije, ova dva parametra su često usko povezana. U § 1.2 je pokazano da širina pojasa informacija komunikacijskog kanala određena je širinom pojasa u kojem se signal prenosi i omjerom signal-šum na prijemniku. Analizirajmo utjecaj svakog od tih čimbenika.
Frekvencijski pojas u kojem se signal prenosi može biti ograničen, na gotovo bilo kojoj točki komunikacijskog sustava, dopuštenom brzinom modulacije izvora zračenja; modulator; medij u kojem se signal širi (ako medij ima disperziju, tada će to izobličiti valni oblik tijekom njegovog širenja); foto-detektor; elektronički elementi prijemnika.
U praksi je moguće bez ikakvih poteškoća ostvariti modulaciju LED-a s frekvencijama do 100 MHz i poluvodičkim laserima do 1 GHz. Trenutno dostupne poluvodičke p-i-n i lavinske fotodiode mogu detektirati optičke signale s frekvencijom modulacije iznad 1 GHz. Međutim, uporaba navedenih najviših frekvencija zahtijeva razvoj potpuno novog vrlo složenog pojačala za prijemnik.
Najvažnija je činjenica da je optičko vlakno disperzijski medij i da se u procesu širenja svjetlosnih impulsa kroz njega proširuje, a analogni optički signali podliježu faznim distorzijama. U optičkim komunikacijskim sustavima, vlakno se ponaša kao filter niskih propusnosti, čija je granična frekvencija obrnuto proporcionalna razmaku širenja, tj. Njegovoj duljini. Zbog toga se optičko vlakno može karakterizirati parametrom koji predstavlja produkt širine pojasa po udaljenosti. Ovisno o vrsti vlakana i karakteristikama izvora zračenja, ovaj proizvod može biti manji od 10 MHz km ili više od 10 GHz km. Disperzija optičkih vlakana detaljnije je opisana u Ch. 2, 5 i 6.
U otvorenim komunikacijskim sustavima, gdje je medij širenja optičkog signala zrak ili slobodni prostor, nema značajne disperzije i, prema tome, nema ograničenja na širinu pojasa komunikacijskog sustava. Broj mogućnosti za izgradnju takvih komunikacijskih sustava je toliko velik da je njihovo razmatranje ovdje neprikladno.
Drugi važan parametar komunikacijskog sustava je omjer signal-šum, koji se određuje efektivnom razinom buke na ulazu pojačala prijemnika i efektivnom snagom optičkog signala na ulazu fotodetektora. Karakteristična značajka optičkih komunikacijskih sustava je da šum prijemnika sadrži komponentu koja je izravno proporcionalna snazi primljenog optičkog signala. To je tzv. Fotonska buka, karakteristična za proces detekcije, ograničena kvantnim šumom. Stoga, u većini konvencionalnih optičkih komunikacijskih sustava koji koriste modulaciju optičke snage, razina buke ovisi o veličini signala. Važno je napomenuti da je buka prijemnika obično minimizirana, međutim, treba imati na umu da se ona obično povećava razmjerno širini pojasa koji zauzima signal.
Snaga ulaznog signala prijemniku ovisi o snazi koju zrači predajnik i slabljenju u komunikacijskom kanalu. Već je gore navedeno da je razina prigušenja koja se može postići jedan od ključnih parametara koji određuju mogućnosti korištenja optičkih komunikacijskih sustava. Vrlo je poželjno da se procesi pretvaranja signala iz jednog tipa u drugi (električni do optički u odašiljaču i optički u električni u fotodetektoru) odvijaju s najvećom mogućom učinkovitošću (učinkovitost). Nažalost, učinkovitost izvora optičkog zračenja je vrlo niska.
U analognim komunikacijskim sustavima, omjer signala i šuma izravno određuje kvalitetu komunikacijskog kanala. U digitalnim sustavima određuje vjerojatnost pogreške prilikom odlučivanja je li puls prenijet ili ne. Ovo se pitanje detaljno razmatra u poglavlju br. 15; Međutim, niže navedeni brojevi mogu pomoći u procjeni karakteristika koje se mogu očekivati od digitalnih optičkih komunikacijskih linija. Pogodno je izraziti vrijednosti različitih razina snage optičkih signala u relativnim jedinicama, na primjer, na koje oni karakteriziraju razinu snage u odnosu na 1 mW. Takva oznaka općenito je prihvaćena u komunikacijskoj tehnologiji.
Tipična razina snage koja se može uvesti u raspoređeno vlakno pomoću LED, kada se koristi poluvodički laser, može se povećati na minimalnu snagu na ulazu prijemnika, što daje relativno nisku stopu pogreške, obično je jednaka. Kao primjer, razmotrite komunikacijski sustav s širinom pojasa informacija od 10 Mbps. U tom slučaju, potrebna razina snage na ulazu prijemnika mora biti reda, a za gubitak vlakana i za marginu snage sustava potrebno je osigurati dodatnu snagu. Potonji, jednak 10 dB, sasvim je dovoljan. To rezultira sljedećom raspodjelom snage izvora zračenja:
Kada je koeficijent prigušenja u vlaknu 5 dB / km, upotreba LED-a omogućit će ugradnju repetitora nakon 7,4 km, a laser - nakon 10 km. Podrazumijeva se da se karakteristike disperzije vlakana moraju uskladiti s potrebnom brzinom prijenosa informacija na tim udaljenostima. Prema 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 biti prikazano kasnije, vrijednosti prigušenja od 5 dB / km i granica disperzije izgledaju vrlo skromne u usporedbi s karakteristikama standardnih komunikacijskih sustava koji koriste najnaprednije vrste optičkih vlakana. U mnogim optičkim komunikacijskim sustavima razvijenim do danas, opisanim u Ch. 17, postižu se znatno veće udaljenosti između repetitora nego u razmatranom primjeru.
CILJEVI
(vidi skeniranje)
(vidi skeniranje)
SAŽETAK
Prednosti i nedostaci optičkih komunikacijskih sustava prikazani su u tablici. 1.1.
Iako hipotetska propusnost signala zbog uporabe frekvencija u optičkom pojasu još nije ostvarena, a širenje svjetla u slobodnom prostoru je vrlo ograničene, optička vlakna ipak predstavljaju novi medij za prijenos optičkih signala u komunikacijskim sustavima koji najbolje odgovaraju digitalni prijenosni sustavi s visokim protokom podataka.
Tablica 1.2 ilustrira uporabu optičkih vlakana u digitalnim komunikacijskim sustavima različitih hijerarhijskih razina.
Stvaranje optičkih vlakana s niskim gubicima (manje od 5 dB / km), kao i vrlo intenzivnim i lako moduliranim poluvodičkim izvorima svjetlosti, postavilo je optičke komunikacijske linije među vodeće u tehničke specifikacije koje su temeljne za električne komunikacijske linije.