Optické komunikačné systémy. Ak predpokladáme, že absorpčná strata v skle je vzhľadom na rôzne faktory navzájom nezávislá, vzťah je platný. Účinné absorpčné centrá tvoria ióny hydroxylovej skupiny OH, ktoré sú nevyhnutne prítomné
Pošlite svoju dobrú prácu do vedomostnej základne je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár.
Študenti, študenti absolventov, mladí vedci, ktorí používajú vedomostnú základňu pri štúdiu a práci, vám budú veľmi vďační.
Publikované dňa http://www.allbest.ru/
Prednáška 14 Optické systémy komunikácia
Optické komunikačné systémy. Klasifikácia. Schéma. Vlastnosti. Štruktúra a prvky komunikačných línií. Zdroje žiarenia. Svetlovody. Fyzické účinky, ktoré sú základom činnosti zariadenia. Druhy. Design. Aplikácie.
14.1 Optické komunikačné systémy. Klasifikácia. režimy , Špeciálne funkcie
Intenzívny vývoj systému optická komunikácia začal s príchodom laserov. Avšak v priebehu času sa ukázalo, že s výnimkou niektorých prípadov, otvorené laserové komunikačné linky nemôžu poskytnúť potrebnú spoľahlivosť v dôsledku ostrej závislosti osvetlenia optického signálu na meteorologické podmienky. Preto potenciál optickej komunikácie dlho zostal takmer nerealizovaný. Až v polovici šesťdesiatych rokov minulého storočia sa zrodila myšlienka používať na tento účel vodiče z optických vlákien zo sklenených vlákien. žiarenie na žiarenie
Vykonané funkcie optické komunikačné systémy, (VOSS) neustále sa rozširuje. Voss a ich hlavný prvok - komunikačná linka s optickými vláknami (FOCL) by mala nahradiť káblové komunikačné vedenia vo existujúcich informačných systémoch.
v závislosti na z konštrukčnej konfigurácie systém VOSS možno rozdeliť do štyroch typov:
pozdĺžne otvorené (obr.1.29, a), uzavreté pozdĺž obrysu (obr.1.29, b), radiálne (obr.1.29, c) a sieť (obr.1.29, d). Najkratšia dĺžka FOCL a najväčšia ľahkosť pripojenia koncových zariadení (T) sú poskytnuté prvými dvoma konštrukčnými diagrammi.
Avšak s nárastom počtu terminálov sa spotreba optickej energie zvyšuje a jej distribúcia sa v štruktúrach WOSS stáva nerovnomerným. Preto musí mať prijímač širokú dynamickú reguláciu zisku. Nevýhodou prvých dvoch štrukturálnych clem je tiež nízka šírka pásma v dôsledku postupného prechodu informácií.
Radiálne štruktúry VOSS sú paralelné obvody. typu. Odporúča sa ich používať s veľkým počtom koncových zariadení a malými dĺžkami optických vlákien.
Povinný prvok radiálnej štruktúry je spoločný pre všetky zariadenia na výmenu informácií terminálov (SWI), ktoré spájajú komunikačné kanály medzi účastníkmi.
Sieťové štruktúry WOSS sú účinné s malým počtom koncových zariadení. Tento typ VOSS má najvyššiu rýchlosť, vysokú spoľahlivosť, maximálne využitie energie vysielanej vysielačom. Je charakteristické, že porušenie jedného spojenia medzi svorkami nevedie k poruche celého zariadenia, tak ako Rekonštrukciou obvodu môžete zmeniť smer prenosu informácií obchádzajúcím visiace spojenie.
V závislosti od rozsah FOCL zahŕňajú nasledujúce charakteristické skupiny:
- dlhé linky alebo kmeň;
- čiary strednej dĺžky alebo intracity;
kratšie, alebo interné komunikačné linky.
Diaľkové vedenia by mali mať vysokú šírku pásma (najmenej 10 8 ... 10 10 bit / s) a veľkú vnímavú vzdialenosť (najmenej 7 ... 10 km).
Medzimestské trate strednej dĺžky (l ... 5 km) sú určené na komunikáciu medzi PBX a účastníkmi; výstavba káblových televíznych systémov; komunikácia vysokovýkonných centrálnych počítačov so zariadeniami na diaľkové získavanie a primárne spracovanie údajov; počítačové pripojenia so vzdialenými terminálmi; komunikácia administratívnych a manažérskych centier s oddeleniami vo veľkých priemyselných združeniach.
Krátke línie komunikácie sa vyznačujú širokými a rôznorodými oblasťami a podmienkami používania. Dĺžka týchto liniek sa môže pohybovať od jednotiek po desiatky a stovky metrov. Relatívne veľká dĺžka (100 m) je potrebná pre systémy, ako sú: telefónne ústredne a videotelefónne komunikácie; Priemyselné diaľkové ovládacie zariadenia; interné informačné linky veľkých mobilných objektov.
V prípade veľkých multiprocesorových počítačových systémov, údržby rôznych automatizovaných riadiacich systémov a diskrétnych automatizačných zariadení sú potrebné menšie rozmery (10 ... 30 m).
Dokonca aj kratšie linky komunikácie vo veľmi veľkých množstvách sú potrebné pre pripojenie počítača do vnútra a medzi blokmi, inštalácia vstupných blokov prístrojov používaných v podmienkach vonkajšej interferencie.
Rozlišujúce vlastnosti optických systémov komunikácie:
- malé celkové rozmery a hmotnosť, pretože malý hustoty všetkých surovín a opusteniu obrazoviek ťažkých kovov. V porovnaní s koherentnými káblami založenými na koaxiálnych kábloch je prírastok týchto indikátorov najmenej 3-5 krát a niekedy celý poriadok;
- dobrá elektromagnetická kompatibilita a vysoká odolnosť proti šumu;
- neprítomnosť uzavretých komunikačných obvodov medzi zemou medzi vysielačom a prijímačom, schopnosť pracovať s vysokým napätím bez oddeľovacích zariadení;
- širokopásmové pripojenie (20 až 200 MHz pri použití LED a až 1 až 3 GHz pri používaní laserov), na rozdiel od koaxiálnych systémov, nevedie k závislostem útlmu od frekvencie;
- vysoký stupeň utajenia prenosu informácií v dôsledku absencie žiarenia okolitého priestoru vláknami;
- potenciálne nízke náklady v dôsledku výmeny vzácnych drahých materiálov z neželezných kovov (medi, olova) s neobmedzenými surovinami a ľahkosťou výroby (sklo, kremeň, polyméry);
- Výbušné, bez oblúka a krátke uzávery vsystém.
14.2 Сštruktúra a prvky komunikačných liniek
14.2.1 Štruktúra
štruktúra VOSS obsahuje prvky, ktoré možno kombinovať do troch veľkých skupín:
-VOLS (vysielacie a prijímacie moduly, kábel z optických vlákien);
- zariadenia na výmenu informácií (ovládacie zariadenia a optické prepínače);
- koncové zariadenia (terminály).
Mikroprocesor riadi a riadi činnosť zariadenia na výmenu informácií, ktorých výstup tvorí kódy spínaných kanálov BOLC.
Komunikačná linka z optických vlákien (Obrázok 1.30) obsahuje nasledujúce základné konštrukčné jednotky: vstupný elektronický snímač (CG), vysielací modul, optický kábel, opakovač, prijímací modul, výstupné elektronické dekódovacie zariadenie (DCU).
Vysielací modul konvertuje digitálny signál na prúdový impulz, ktorý ovláda LED. Pri použití polovodičového lasera modulový obvod obsahuje modulátor a napájací obvod. Prijímací modul obsahuje okrem vstupnej fotodiódy obvod zisk slabé obrazové signály, detektor a výstupný zosilňovač. Zvyčajne oba moduly mať vstupných a výstupných signálov na úrovniach obvodov TTL a poskytujú rýchlosti prenosu informácií až do 500 Mb / s.
Zosilňovač je kombinácia prijímača a vysielača.
V závislosti od účelu linky, jeho Dĺžka, rýchlosť, kvalita použitých prvkov štruktúry optickej komunikačnej linky môže podstúpiť určité zmeny. Ak je linka veľmi krátka, nie je potrebné opakovač.
Pre kódovanie informácií v linkách s optickými vláknami je najvhodnejšia modulácia pulzných kódov, pretože výrazne znižuje požiadavky na linearitu amplitúdovo-frekvenčných charakteristík a charakteristík hluku opakovača.
Pri konštrukcii diaľkových tratí je dôležité zvýšiť povolenú dĺžku kábla medzi susednými transpondérmi (dĺžka prierezu transceiveru). Na získanie dĺžky revízneho úseku rádovo 10 km v tratiach s vysokou rýchlosťou prenosu dát (10 8 bit / s) je nevyhnutné používať samodiabilé vlákna so stratami nepresahujúcimi 5 dB / km. Pri linkách s krátkou dĺžkou (menej ako 1 km) je možné v zásade dosiahnuť ultraľahké prenosové rýchlosti na vláknach akéhokoľvek typu s relatívne vysokými stratami (20 dB / km).
14.2.2 Prvky komunikačných systémov
Lasery poskytujú vysokorýchlostné vlákno s optickými vláknami: frekvencia modulácie signálu môže ležať v rozsahu gigahertz.
V kvalite fotodetektorpre optické komunikačné linky sú fotodióny s vysokou rýchlosťou, citlivosťou a nízkym šumom. Najrozšírenejšia štruktúra p-i-n. Na konečnom prijímacom konci linky s optickými vláknami by mal byť optický výkon rovný 10 -3 ... 10 -9 W.
V kvalite optické zosilňovačeLasery pracujúce v zosilňovacom režime alebo hybridné optoelektronické zosilňovače pozostávajúce z fotodetektora, elektronického zosilňovača a radiátora sa môžu použiť na regeneráciu svetla v dráhe.
Vstupné zariadenia, výstup.Vstup žiarenia do vlákna je možný, ak sa prierezové plochy lúča a vnútorného jadra vlákna zhodujú,
Svetelný tok sa zavádza do konca vlákna, takže musí byť plochý a priehľadný a jeho rovina je striktne kolmá na os vlákien.
Výstupné konce vlákna sú prilepené k fotosenzitívnym oblastiam fotodiód.
Fresnelové straty odrazu od konca svetelných lúčov normálne na svoj povrch nepresahujú 0,4 dB a so špeciálnou príprave konca 0,05 dB.
Polovodičové lasery majú horšiu radiačnú smernosť ako polovodičové lasery. Preto pre GaAlAs heterolaser s vláknom, v závislosti na jeho apertúre, sa dosahuje efektívnosť vstupu: pri bežných surových sklenených vláknach - = 70%, s optickými vláknami z čistého borosilikátového skla - 60%, pre štandardné kremenné vlákna - 30%.
Situácia je oveľa komplikovanejšia (obr.1.31), keď sa spájajú optické vlákna so svetelnými diódami (I), ktoré majú široký radiačný vzor. V najjednoduchšom prípade, keď je na koniec multifilamentového zväzku (3) s lepidlom (4) prilepený plochý výbojok (2), straty tesnenia B strát balenia a clony B až do značnej miery.
V prípade vodiacich prvkov s vysokou apertúrou je účinnosť používania koncovej plochy v rozmedzí 0,5 ... 0,7 a pre tie s nízkou apertúrou sa rovná 0,4.
Na vytvorenie spoľahlivého a vysokokvalitného pripojenia musí byť drsnosť konca vlákna R z rovná 0,05, rovinnosť nie je horšia ako 1 mikrón, okraj nie je kolmý na os vlákien v rozmedzí 0,5 ... 1,0 °, čo je zabezpečené brúsením a leštením.
Porovnanie s polovodičovými lasery ukazuje, že keď dokovacie svetlo vyžarujúce diódy s LED diódami s vysokou apertúrou e ďalšie straty na vstupe sú 2 ... 4 dB, pri stratách s nízkou clonou - 10 ... 12 dB.
Najlepšie optické zosúladenie sa dosiahne malou oblasťou vyžarovania a vylepšeným vyžarovaním modelovaného svetla (obrázok 1.3.32). Umiestnenie vlákna na vedenie svetla (3)
priamo nad aktívnou oblasťou (2) diódy (I) vytvárajúcej hetero-svetlo umožňuje zníženie strát na laserový zdroj porovnateľný s variantom.
Pri použití žiarenia okrajov (2) LED (I) sa spárovanie so svetlovodom (3) (obr.1.33) vykonáva takmer rovnakým spôsobom ako v prípade zdroja laseru:
problém je, že LED vyžaruje v jednom smere.
Účinnosť vstupu žiarenia z polovodičového zdroja do vlákna sa zvyšuje s použitím rôznych zaostrovacích systémov.
Jednou z výhodných možností realizácie vstupného zariadenia na šošovky je roztavenie koncov vlákien ne pologuľovitý tvar.
Rozdelené konektory potrebné na prenos informácií na strednej a blízkej vzdialenosti. Optické konektory by mali spĺňať nasledujúce požiadavky požiadavky: minimálne straty; odolné voči mechanickému namáhaniu, teplote a žiareniu; chrániť zlúčeninu pred vystavením prachu, vlhkosti, chemikáliám.
Základ konštrukcie konektorov je nastavovacieho zariadenia, Ide zvyčajne o kruhové puzdro, v ktorom je vlákno pripevnené kvapkou epoxidovej živice alebo držané pružnými silami. Vnorené časti a kolíky sú spojené maticou. Na vzájomné vyrovnanie objímok je usporiadaná orientačná objímka vo forme presnej pevnej oceľovej rúrky. Strata pripojenia v konektoroch nepresahuje 2 dB.
Nízke straty je možné dosiahnuť iba pri použití princípu individuálnej artikulácie jednotlivých vlákien. Pri typickom optočlenovom vyhotovení (obr.1.34) je každé vlákno centrované a upevnené v priestore medzi stenami troch vyrovnávacích prvkov valcového tvaru, vyrobených zo stlačiteľného plastu alebo gumy. Vlákna jedného kábla, držaného na mieste pomocou tejto matice plastových valcov, sú umiestnené presne na zodpovedajúce vlákna iného kábla, takže svetelný signál prechádza priamo z jedno vlákno do druhej. Tento dizajn je podobný zariadeniam s V tvaru písmena drážky. na ktorých dno sú samostatné vlákna. Špecifikovaný konektor umožňuje spojiť 6 ... 12 vlákien.
Optické konektory s individuálnym spojením jednotlivých vlákien sú charakteristické veľmi malými prechodovými stratami a priečny útlm medzi susednými kanálmi presahuje 70 dB.
Pre rozvetvené vláknové komunikačné linky hviezdička, Základom tejto zlúčeniny je optický mixér, čo je segment monofilového vlákna so strieborným koncom (obrázok 1.35). Vzhľadom na účinok viacnásobného odrazu je prichádzajúci svetelný tok v ňom rovnomerne rozložený na všetky pripojené optické vlákna. Pripojenie hviezdy poskytuje minimálnu stratu signálu medzi svorkami, rovnaká strata pre akýkoľvek pár kanálov je slabá ich závislosť od počtu pripojených kanálov, vysoká spoľahlivosť komunikácie.77
Lepenie, spájkovanie a zváranie sa používajú na vytvorenie trvalých spojov s optickými vláknami. Týmito operáciami predchádza vyrovnanie párovaných vlákien, ktoré sa uskutočňuje pomocou tesne pokrývajúcej guľatých rúrok, kovovej rúrky so štvorcovým prierezom, drážok v tvare U, medzery vytvorené presnými vodiacimi tyčami,
Pri lepení sa medzera medzi koncami vlákien naliala kvapkou ponornej kvapaliny, ktorá používa epoxidové živice, lepidlo vytvrdzované v ultrafialových lúčoch. Strata na zlúčeninách je 0,1 až 0,6 dB.
Spájkovanie vláknami vykonávané pomocou skla s nízkou teplotou. V tomto prípade je strata spojenia rovná 0,2 ... 0,45 dB.
V súčasnosti používa nasledujúce typy zvárania vlákien:
laserom, plazmou, plynovou plazmou, elektrickým oblúkom, pomocou vyhrievacieho prvku. Mechanická pevnosť zváraného spoja je znížená o 60 ... 70% v porovnaní s pevnosťou samotného vlákna a priemerná strata v mieste zvárania nie viac ako 0,2 ... O, 38 dB.
14. 3 zdroje žiarenie
Komunikačné linky s optickými vláknami vyžadujú prísnejšie a špecifickejšie požiadavky na zdroj žiarenia, V dôsledku veľkej dĺžky vlákna (optického vlákna) je potrebná najmä starostlivá koordinácia spektrálnych charakteristík vysielača a vlákna, aby sa znížilo zoslabenie signálu. Množstvo straty pri vstupe do žiarenia optické vlákno v dôsledku uhla divergencie lúčov v lúči žiarenia. Pretože rýchlosť šírenia žiarenia závisí od vlnovej dĺžky, v priebehu tohto procesu dochádza k oddeleniu spektrálnych zložiek (chromatickej disperzie), čo je oveľa zreteľnejšie, čím dlhšie optická linka komunikáciu a širšiu spektrálnu charakteristiku radiátora. Napríklad so šírkou spektrálnej odozvy 35 ... 45 nm je produkt šírky pásma optickej emisie na každú čiaru obmedzený na 100 ... I40 MHz * km. Preto pri prenose cez optické kanály veľké množstvo informácií vyžaduje vysokorýchlostné žiariče.
Zdroje žiarenia založené naAl xGa 1- xako majú najúspešnejšiu kombináciu vlastností na použitie v optických komunikačných linkách, sú vyvinuté primárne na tieto účely a sú buď zdrojmi s ožarovacími vedeniami kolmými na prechodovú rovinu alebo pozdĺž nej.
V optických komunikačných linkách sa tiež používajú laserové diódy na Al x Ga 1 - x As, ktoré majú rýchlosť až do I GHz a uhol divergencie 40 ° x 10 °, zatiaľ čo pre LED žiariče sú v najlepšom prípade tieto hodnoty 200 MHz a 120 × 40 °. Emitory sú však lacnejšie a menšie ako laserové diódy, menej citlivé na teplotné zmeny, sú stabilnejšie, majú takmer lineárne watt-ampérové charakteristiky, čo je významné pri práci s analógovými signálmi.
Vhodnými žiaričmi sú LED a lasery založené na heterostrukturyGaAlAs a pevný stav IAG- nd- lasery, ktoré poskytujú významnú energiu žiarenia (~ 10 ... 50 mW) a ľahké vstupy do vlákna. Pre GaAlAs LED je typická hodnota výkonu žiarenia 0,1 ... 5 mW.
V kvalite prijímačslúži ako jeden alebo matricový fotodetektor - fotodióda lavína alebo fotodioda p-i-n.
Momentálne používané tri Hlavné typy fotodetektorov založené na GaAs a Al x Ga 1 - x As: s homojuncou, zvyčajne získané difúziou zinku, epitaxiálny sheterojunction, schottky bariérové diódy.
gomoperehodnyh V fotografických súboroch musí byť hrúbka vrstvy prenášajúcej žiarenie minimálna, aby sa generovanie nosiča vyskytovala blízko pn spojenia. Toto však zvyšuje sériovú odolnosť povrchovej vrstvy, a tým znižuje účinnosť konverzie. Spektrálna citlivosť takýchto zariadení prudko klesá so zvyšujúcou sa fotónovou energiou. hetero prechodov sú zbavené týchto nevýhod v dôsledku "okenného" efektu. Sú charakterizované nasledujúce výhody:
fotóny s anergiou, ktoré sú takmer bez absorpcie cez široký medzipriestor a sú absorbované v blízkosti oblasti priestorového náboja, vytvárajú dvojice elektrónových otvorov;
separačný faktor pre takéto nosiče môže byť blízko k jednotnosti, pretože v tomto prípade sa absorpčná oblasť takmer zhoduje so separačnou oblasťou;
hrúbka oblasti so širokými medzerami heteropatu môže byť veľká a dopingový stupeň je vysoký, čo znižuje straty vnútorného sériového odporu.
14.4 Vedenie svetiel. Fyzické účinky, ktoré sú základom zariadenia , Druhy. Design. prihláška
Prenos svetla cez optické vlákna je založený na použití celkový vnútorný odrazový efekt, prvý experimentálne pozorovaný Tyndallom v roku 1870. Zvážte mechanizmus prenosu svetla na príklade klasickej LED - valcovité dvojvrstvové vlákno. Keďže vnútorné jadro je opticky hustšie ako plášť (n1\u003e n2), potom pre lúče, ktoré vstupujú do LED pri malých uhloch vzhľadom na os valca, je splnený stav úplného vnútorného odrazu. Výsledkom je, že keď svetlá vlna spadne na hranicu s plášťom, všetka jeho energia sa odráža vo vnútri jadra. To isté. Väčšina sa vyskytuje pri všetkých nasledujúcich úvahách. Takto sa svetlo šíri pozdĺž osi vlákien bez toho, aby musel opustiť škrupinu. Maximálny uhol odchýlky od osi, na ktorej je plný vnútorné odrazy, stanovený pomerom
Rovnosť (1.8) platí pre? N = (n1-n2)<=n1 . Величина А 0 называется numerická clona vlákno a je jeho dôležitou charakteristikou pri zakotvení do vysielača. Pre stupňové vodiče A0 = 0,18 ... 0,23 pre gradient A0 = 0,13 ... 0,18. Lúče, ktoré padajú na koncovú plochu pod uhlom q\u003e q0 (lúče s otvorenou apertúrou), sa pri interakcii so škrupinou nielen odrážajú, ale aj odreagujú - časť energie opúšťa jadro. Nakoniec po mnohých stretnutiach s hranicou jadra - takéto lúče sú úplne rozptýlené z optických vlákien.
Lúče sa šíria pozdĺž vlákna, aj keď index lomu klesá od stredu k okraju nie postupne, ale postupne (zvyčajne podľa zákona blízkeho parabolickému).
V takýchto vláknach v dôsledku lomu sú lúče vstupujúce na čelnú plochu zaostrené blízko stredovej čiary. Každá sekcia vlákien pôsobí ako objektív s krátkym zaostrovaním, čo spôsobuje efekt zaostrovania. Takéto vlákna sa volajú selfokamialebo sprievodcov svetelného gradientu.
Optické vlákna sú vyrobené dve bežné metódy.
Metóda depozície parou na základe vysokoteplotnej (I200 ... 1600 ° C) reakcie, aby sa získal čistý kremeň (SiO 2) z plynnej zmesi SiCl4 a 02. Prostredníctvom ohriatej kremennej trubice prechádza zmesou s prídavkom B203 alebo BCI3. V tomto prípade sa nanáša vrstva kremeňa dopovaného bórom a potom sa nanesie čistý kremeň. Po získaní vrstiev požadovanej hrúbky sa trubica silnejšie zahrieva a stláča na "uviaznutie" a z výsledného polotovaru sa odoberie tenké vlákno. (Ris.1.36). V získanej trojvrstvovej štruktúre tvorí čistý kremeň vnútornú žiaru vedúcu svetlo a vrstva kremíka dopovaného bórom s nižším indexom lomu tvorí plášť odrážajúci svetlo. Tretia vrstva materiálu pôvodnej kremennej trubice nie je zapojená do prenosu svetla. Požadovaná štruktúra vedenia svetla sa dosiahne aj vtedy, ak počiatočná vrstva nie je vyrobená z čistého kremeňa, ale jadro používa doping s nečistotami, ktoré zvyšujú index lomu, napríklad GeO 2, Al 2 O 3, TiO 2, P 2 O 5
Metóda dvojitého kelímku (Obr.1.37) sa používa na získanie vlákien z viaczložkových skiel s nižšou teplotou mäknutia ako kremeň. Sklenené polotovary na vytvorenie zodpovedajúceho jadra a škrupiny sa postupne dostávajú z vnútornej a vonkajšej tégliky a z dolnej časti tenkej trysky sa vytiahne dvojvrstvové vlákno. Na zaistenie vysokej čistoty sú tégliky vyrobené z platiny alebo kremeňa a rozťahovanie sa vykonáva za podmienok blízkych hermetike. K opísanej metóde je blízko a takýto procesv ktorom je rúrka samostatne vyrobená z materiálu plášťa a jadra z materiálu jadra. Jadro sa vloží do rúrky a vlákno sa vytiahne z pripraveného polotovaru. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je obtiažnosť odstraňovania nečistôt z povrchov polotovarov, ktoré následne tvoria hranicu medzi jadrom a škrupinou.
ostatnéuvažovaná metóda spočíva v tom, že jednotná sklenená tyčinka sa dlhodobo uchováva v tavenine horúcej soli a potom sa vlákno vyťahuje z predlisku spracovaného v takýchto obrazoch. Iontová výmena, ku ktorej dochádza medzi sklom a taveninou soli, znižuje index lomu v periférnych oblastiach, čo dáva potrebný gradient n.
Pri nanášaní z plynnej fázy je možné dosiahnuť najlepší prenos svetla, avšak existujú obmedzenia týkajúce sa vláknitého materiálu (vhodný je iba kremeň) a dĺžky kontinuálneho vláknitého segmentu.
Strata prenosuv optickom prostredí v dôsledku pôsobenia mechanizmov absorpcie a rozptylu.
vstrebávanie straty sú primárne spôsobené absorpciou svetla na farbiacich centrách - iónov nečistôt, ktorých najsilnejší účinok je medené medené kovy.
Vznikajú účinné absorpčné centrá hydroxylovej skupiny OHktoré sú nevyhnutne prítomné v materiáli vlákna.
Strata rozptylu závisia hlavne od prítomnosti bublín v skle alebo kremeni, kryštalických inklúziách, nerozpustnej náplni atď.
Ak sú tieto faktory odstránené, zostávajú rayleigh rozptýlenie spôsobené kolísaním hustoty alebo zloženia materiálu podľa objemu. Tieto straty, ktoré určujú teoretickú spodnú hranicu pre optické vlákna, sú blízke 0,7 ... 1 dB / km pre kremeň s l = 1 μm a o niečo vyššie pre viaczložkové sklá. Charakteristickým znakom Rayleighova rozptylu je závislosť strát na vlnovej dĺžke svetla.
Všeobecný vzorec popisujúci oslabenie svetelného signálu vo vlákne:
(1.9)
kde Vp je strata clony kvôli rozdielu medzi otvormi vysielača a optickými vláknami;
Woop - stratové straty v dôsledku skutočnosti, že iba časť oblasti konca vláknového zväzku je obsadená svetlovodmi. Parametre Vap a Vup súvisia s konštrukciou kábla a zariadenia na vyžarovanie žiarenia;
Vfr-Fresnelové straty odrazu od koncov optických vlákien. V skle s hodnotou n ~ 1,6 pri uhloch výskytu lúčov do 60 ° nepresiahne ~ 0,4 ... 0,6 dB;
Votr - strata odrazu na okraji žily - škrupina s viacerými celkovými vnútornými odrazmi
,
o je zlomok straty energie v jedinom odrazovom akte. Približne< 10 -6 что экспериментально наблюдается для достаточно совершенных границ раздела, можно иметь Вотр<= 0,5 дБ с длиной волокна l=1км;
Absorpčné straty vo svetlovodnom materiáli.
Suma určuje konečné straty nezávislé od dĺžky vlákien.
Ak predpokladáme, že absorpčná strata v skle je vzhľadom na rôzne faktory navzájom nezávislá, pomer
kde BP je strata relé. dB / km;
- špecifické straty pre túto nečistotu;
Ni. - koncentrácia nečistôt,%.
Súčet je lineárna strata úmerná dĺžke vlákna.
rozptyl Svetlý impulz počas jeho šírenia cez vlákno je hlavne určený disperziou skla alebo závislosťou indexu lomu na vlnovej dĺžke a vlnovodovej disperzii spôsobenej rozdielom v rýchlostiach šírenia vlny rôznych typov. Ak pre jednoduchosť používame reprezentácie geometrickej optiky, druhá z uvedených efektov je vysvetlená rozdielom v dráhach svetelného lúča pozdĺž osi vlákna a dopadá na čelnú plochu pri určitom uhle μ0. Je zrejmé, že disperzia signálu bude väčšia, tým väčšia je prípustná hodnota μ0, t.j. numerická clona A 0.
Návrh vlákien Vyberá sa nielen z dôvodu dosiahnutia minimálnych súčtov B a? T, ale aj na základe mnohých ďalších faktorov. Najmä pri ohýbaní vlákna, aby sa predišlo mechanickým poruchám, by sa mal splniť stav = 10 2 ... 10 3.
Vysoká clona sklenené vlákna s veľkými prenosových strát sa vyrábajú vo forme pomere multimode vlákno dvojvrstvové D2 / D1, zvyčajne menej 1,1, kvôli túžbe znížiť BUP straty balenia pri použití svetlovodu zväzkov.
pre komunikácia na veľké vzdialenosti navrhnuté kremenné vlákna.
pre krátke línie komunikácie Vlákna sa môžu podľa ich dizajnu a princípu činnosti široko používať, podobne ako sklenené vlákna s vysokou apertúrou, ale oveľa silnejšie (D2 - 250 ... 350 μm). polymér Optické vlákna majú nižší prenos svetla (Vl = 200 dB / km) a ich spektrálne charakteristiky sú uspokojivé až do l = 0,85 ... 0,9 μm.
Rozsah prevádzkovej teploty nepresahuje 60 ... 80 ° C a dlhodobá stabilita parametrov je nižšia ako stabilita parametrov sklenených.
Významnou výhodou polymérnych vlákien pre sklo je vyššia odolnosť voči ionizujúcemu žiareniu, jednoduchosť výroby a nízke náklady.
Použitie svetlovodov:
-VOLS;
snímače (vrátane snímačov, ktoré napodobňujú funkcie ľudských orgánov a zvierat, ako napríklad "inteligentná koža" SMARTKOŽE(8) );
-interferometry (optické zariadenia založené na svetle rušenie. Používajú sa na meranie vlnové dĺžky spektrálnych čiar skúma ich štruktúry, meranie nehomogenít v indexe lomu priehľadného médiá, defekty odrážajúcich povrchov, meranie dĺžok, uhlových rozmerov, rýchlosti svetla, atď.)
Publikované na Allbest.ru
Podobné dokumenty
Optické komunikačné linky ako koncept, ich fyzické a technické vlastnosti a nevýhody. Optické vlákna a jeho typy. vlákno optický kábel, Elektronické komponenty optických komunikačných systémov. Moduly laserových a fotoreceptorov pre optické vlákna.
abstrakt, pridaná dňa 19.09.2009
História vývoja komunikačných liniek. Typy optických komunikačných káblov. Optické vlákna a vlastnosti ich výroby. Návrh optických káblov. Základné požiadavky na komunikačné linky. Návod na vývoj a vlastnosti používania optických vlákien.
skúmanie, pridané dňa 18.02.2012
Analýza miesta navrhovania zariadení. Moderné prenosové systémy s optickými vláknami. Systémy na diaľkové sledovanie optických vlákien. Rozvoj organizácie páteřného segmentu komunikačnej siete. Výpočet ukazovateľov výkonnosti projektu.
diplomová práca, pridané 24.06.2011
Jednoduché vodítka svetla. Multimódové vlákna so stupňovitým profilom. Optické vlákna so špeciálnymi vlastnosťami. Polymérové vlákna. Modifikovaný proces EVD (MCVD). Princípy a vlastnosti budovania optického prenosového systému.
abstrakt, vložené dňa 15.01.2009
Princíp činnosti, odolnosť proti šumu, výhody a nevýhody atmosféricko-optických komunikačných liniek, analýza schém na ich výstavbu. Vplyv oscilácií na kvalitu komunikácie a piezoelektrický efekt Zdroj (polovodičový laser) a radiačné prijímače.
thesis, pridané 08/03/2014
Distribúcia optických signálov. Súdržnosť svetelného lúča. Analýza zdrojov nekoherentného žiarenia. Laserová energia. Tepelné a fotoelektrické žiarenie. Sieť s optickými vláknami. Vývoj optických komunikácií.
prezentácia bola pridaná dňa 10/20/2014
Optické káble (OK). Vývoj vlákno-optickej trasy na účely komunikácie medzi administratívnymi strediskami územia Khabarovského územia a okresu Amur. Voľba prenosovej sústavy a určenie počtu vlákien v OK. Výber typu optického kábla a popis jeho konštrukcie.
semestrálny príspevok, pridaný 16.12.2011
Všeobecné vlastnosti optickej komunikácie, jej vlastnosti a aplikácie. Navrhovanie káblovej optickej prenosovej linky (FOCL) metódou zavesenia na nosičoch vysokonapäťového prenosového vedenia. Organizácia riadenia tejto komunikačnej siete.
doktorandský semester, pridaný 01/23/2011
Optické javy na rozhraní dvoch prostredí. Úplné vnútorné odrazy. Optické vlnovody. Funkcie šírenia vlnovodu. Normalizovaná premenná. Obdĺžnikové vlnovody. Rozdiel v režime. Komunikačné systémy s optickými vláknami.
vyšetrovanie, pridané 09/23/2011
Rádiová a bunková komunikácia. Moderné informačné technológie, siete, ich klasifikácia, štruktúra a parametre. Komunikačné linky a ich charakteristiky. Klasifikácia komunikačných systémov s mobilnými objektmi. Radiálne systémy, ich výhody a nevýhody.
Optické vlákna sa v súčasnosti považujú za najdokonalenejšie fyzické médium na prenos informácií, ako aj najsľubnejšie médium na prenos veľkých informačných tokov na veľké vzdialenosti. Dôvody pre toto sú odvodené z mnohých vlastností, ktoré sú vlastné optickým vlnovodom.
Optické vlákno má nasledujúce fyzické vlastnosti:
· Širokopásmové optické signály v dôsledku extrémne vysokej nosnej frekvencie. To znamená, že informácie môžu byť prenášané cez optickú komunikačnú linku s rýchlosťou približne 1,1 terabajtov / s. Inými slovami, 10 miliónov telefónnych hovorov a jeden milión video signálov je možné prenášať súčasne cez jedno vlákno. Rýchlosť prenosu dát môže byť zvýšená prenosom informácií v dvoch smeroch naraz, pretože svetelné vlny sa môžu šíriť na jednom vlákne nezávisle od seba. Navyše sa v optickom vlákne môžu šíriť svetelné signály dvoch rôznych polarizácií, čo vám umožní zdvojnásobiť šírku pásma optického komunikačného kanála. Doposiaľ sa nedosiahne limit hustoty prenášaných informácií prostredníctvom optických vlákien;
· Veľmi malé (v porovnaní s inými médiami) zoslabením svetelného signálu vo vlákne. Najlepšie vzorky ruských vlákien majú tlmenie 0,22 dB / km pri vlnovej dĺžke 1,55 mikrónov, čo vám umožňuje vybudovať komunikačné linky s dĺžkou až 100 km bez regenerácie signálov. Pre porovnanie, najlepšie vlákno Sumitomo s vlnovou dĺžkou 1,55 mikrónov má tlmenie 0,154 dB / km. V optických laboratóriách v USA sa rozvíjajú ešte "transparentné" tzv. Fl uorizirkonátové vlákna s teoretickou hranicou približne 0,02 dB / km pri vlnovej dĺžke 2,5 μm. Laboratórne štúdie ukázali, že na základe takýchto vlákien môžu byť vytvorené komunikačné linky s regeneračnými miestami cez 4 600 km pri prenosovej rýchlosti 1 Gbit / s.
Technické vlastnosti vlákna sú nasledovné:
· Vlákno je vyrobené z kremeňa, ktorý je založený na oxide kremičitom, je rozšírený a preto lacný materiál, na rozdiel od medi;
· Optické vlákna majú priemer približne 1 až 0,2 mm, čo je veľmi kompaktné a ľahké, čo ich sľubuje na použitie v letectve, prístrojovej technike, káblovej technológii;
· Sklenené vlákna - nie kovové, galvanické oddelenie segmentov sa automaticky dosiahne počas výstavby komunikačných systémov. Použitie vysoko odolných plastových samonosných zavesovacích káblov je vyrobených z káblových tovární, ktoré neobsahujú kov a sú preto elektricky bezpečné. Takéto káble môžu byť namontované na stožiare existujúcich elektrických vedení buď samostatne, alebo zabudované do fázového vodiča, čo ušetrí značné finančné prostriedky na pokládku kábla cez rieky a iné prekážky;
· Komunikačné systémy založené na optických vláknach sú odolné voči elektromagnetickému rušeniu a informácie prenášané prostredníctvom optických vlákien sú chránené pred neoprávneným prístupom. Bezdrôtové komunikačné linky nemôžu byť nedeštruktívne vysielané. Akékoľvek vplyvy na vlákno môžu byť zaznamenané monitorovaním (nepretržitou kontrolou) integrity línie. Teoreticky existujú spôsoby obchádzania ochrany monitorovaním, avšak náklady na implementáciu týchto metód budú také veľké, že prekročia náklady na zachytené informácie;
· Na detekciu zachyteného signálu potrebujete laditeľný interferometer Michelson so špeciálnym dizajnom. Okrem toho viditeľnosť interferenčného vzoru môže byť oslabená veľkým počtom signálov vysielaných súčasne cez optický komunikačný systém. Môžete distribuovať prenášané informácie cez viaceré signály alebo prenášať niekoľko hlukových signálov, čo zhoršuje podmienky pre zachytenie informácií. Bude to vyžadovať značný odber energie z vlákna, aby sa neoprávnene dostal optický signál a tento zásah je ľahko zaznamenaný monitorovacími systémami;
· Dôležitou vlastnosťou optických vlákien je trvanlivosť. Životnosť vlákna, teda zachovanie jeho vlastností v rámci určitých limitov, presahuje 25 rokov, čo umožňuje raz pokládku káblov s optickými vláknami a podľa potreby zvýšiť kapacitu kanála tým, že prijímače a vysielače nahradia rýchlejšie.
Existujú nevýhody v technológii optických vlákien:
· Pri vytváraní komunikačnej linky sú potrebné aktívne vysoko spoľahlivé prvky, ktoré premieňajú elektrické signály na svetlo a svetlo na elektrické signály. Optické konektory (konektory) s nízkymi optickými stratami a veľkým zdrojom pripojenia a odpojenia sú tiež potrebné. Presnosť výroby takýchto čiarových prvkov by mala zodpovedať vlnovej dĺžke žiarenia, to znamená, že chyby by mali byť rádovo o mikronovú frakciu. Preto je výroba takých komponentov optických komunikačných liniek veľmi nákladná;
· Ďalšou nevýhodou je, že pre inštaláciu optických vlákien je potrebné drahé technologické zariadenie: nástroje na zakončenie, konektory, testery, spojky a spojovacie kazety;
· V dôsledku nehody (prerušenia) optického kábla sú náklady na obnovu vyššie ako pri práci s medenými káblami.
Vráťme sa k všeobecnému blokovému diagramu optickej komunikačnej sústavy zobrazenej na obr. 1.2. Zahŕňa tieto hlavné komponenty.
1. Zdroj optického žiarenia.
2. Prostriedky modulácie signálu prenášaného optickým žiarením.
3. Prostredie, v ktorom sa šíri optické žiarenie.
4. Fotodetektor, ktorý konvertuje prijatý optický signál na elektrický signál.
5. Zosilňovanie elektronických zariadení a spracovanie signálov, ktoré slúžia na obnovenie pôvodného signálu a prezentujú ho vo vhodnej forme na použitie.
Táto bloková schéma je rovnako vhodná pre analógové aj digitálne komunikačné systémy s využitím smerového alebo otvoreného prenosu optického žiarenia. Použitie optických vlákien na prenos optických signálov umožňuje veľmi obmedzený počet kombinácií primerane kompatibilných zdrojov žiarenia a rôznych typov fotodetektorov. Ako žiariče sa môžu nazývať polovodičové zdroje žiarenia a ako fotodetektory - polovodičové fotodiódy. Veľkou výhodou polovodičových LED a laserov ako zdrojov žiarenia je jednoduchosť priamej modulácie vyžiareného výkonu.
Pri použití optického žiarenia propagujúceho vo voľnom priestore je počet možných kombinácií zdrojov žiarenia, fotodetektorov a modulačných metód omnoho väčší av kapitole. 16 poskytuje stručný prehľad niektorých komunikačných systémov tohto typu. Hlavnou požiadavkou pre žiariče je vysoká intenzita žiarenia, čo zvyčajne znamená, že potrebujete použiť laser. V tomto prípade je potrebná externá laserová modulácia, pokiaľ sa nepoužije polovodičový laser. Optické útlm na ceste
rozširovanie sa často mení, čo vedie k výkyvom úrovne výkonu signálu na vstupe prijímača. V analógových komunikačných systémoch to znemožňuje použitie priamych metód na modifikáciu vyžarovacej sily, a preto sa zvyčajne používa frekvencia podvozku. Prijímač môže byť aplikovaný ako polovodičové fotodiódy alebo Fotonásobiče ale voľba závisí od typu fotodetektora je vlnová dĺžka, pri ktorej sa musí pracovať, a požiadavky na rozmery prijímača.
Počet dvoch najdôležitejších technických charakteristík komunikačného kanálu zahŕňa informačnú šírku pásma a maximálnu vzdialenosť medzi opakovačmi. Ako bude možné vidieť neskôr, tieto dva parametre sú často úzko spojené. V § 1.2 sa ukázalo, že informačná šírka pásma komunikačného kanála je určená šírkou pásma, v ktorom sa prenáša signál, a pomer signálu k šumu na prijímači. Analyzujme vplyv každého z týchto faktorov.
Frekvenčné pásmo, v ktorom je signál vysielaný, môže byť v takmer ľubovoľnom bode komunikačného systému obmedzené prípustnou rýchlosťou modulácie zdroja žiarenia; modulátor; médium, v ktorom sa šíri signál (ak má médium disperziu, potom toto naruší priebeh jeho šírenia); detektor fotografií; elektronické prvky prijímača.
V praxi je možné bez problémov realizovať moduláciu LED s frekvenciami do 100 MHz a polovodičovými lasery do 1 GHz. V súčasnosti dostupné polovodičové p-i-n a lavínové fotodiódy dokážu detekovať optické signály s modulovacou frekvenciou nad 1 GHz. Použitie najvyšších frekvencií však vyžaduje vytvorenie úplne nového vysoko zložitého zosilňovača pre prijímač.
Najdôležitejšia je skutočnosť, že optické vlákno je disperzné médium a v procese šírenia svetelných impulzov cez ne expanduje a analógové optické signály sú vystavené fázovým deformáciám. V optických komunikačných systémoch sa vlákno chová ako nízkopriechodový filter, ktorého hraničná frekvencia je nepriamo úmerná šírke šírenia, t.j. jeho dĺžke. Preto môže byť optické vlákno charakterizované parametrom reprezentujúcim produkt šírky pásma podľa vzdialenosti. V závislosti od typu vlákna a charakteristík použitého zdroja žiarenia môže byť tento výrobok menej ako 10 MHz km alebo viac ako 10 GHz km. Disperzia optických vlákien je podrobnejšie popísaná v Ch. 2, 5 a 6.
V otvorených komunikačných systémoch, kde je médium šírenia optického signálu vzduchom alebo voľným priestorom, nedochádza k významnému rozptýleniu, a preto nie je obmedzenie šírky pásma komunikačného systému. Počet možností vytvárania takýchto komunikačných systémov je taký veľký, že ich úvaha je v tomto prípade nevhodná.
Ďalším dôležitým parametrom komunikačného systému je pomer signálu k šumu, ktorý je určený efektívnou hladinou šumu na vstupe zosilňovača prijímača a efektívnym výkonom optického signálu na vstupe fotodetektora. Charakteristickou črtou optických komunikačných systémov je to, že prijímačový šum obsahuje komponent, ktorý je priamo úmerný výkonu prijímaného optického signálu. Je to takzvaný šum (fotón), charakteristický pre detekčný proces, obmedzený kvantovým šumom. Preto vo väčšine bežných optických komunikačných systémov, ktoré využívajú optickú moduláciu výkonu, úroveň šumu závisí od veľkosti signálu. Je dôležité poznamenať, že zvuk prijímača je zvyčajne minimalizovaný, avšak treba mať na pamäti, že sa zvyčajne zvyšuje v pomere k šírke pásma obsadenému signálom.
Výkon prichádzajúceho signálu do prijímača závisí od výkonu vyžarovaného vysielačom az útlmu v komunikačnom kanáli. Už bolo uvedené vyššie, že úroveň útlmu, ktorá sa dá dosiahnuť, je jedným z kľúčových parametrov určujúcich možnosti použitia optických komunikačných systémov. Je veľmi žiaduce, aby procesy konvertovania signálov z jedného typu do druhého (elektrický na optický v emitoroch a optické na elektrické vo fotodetektorovi) sa vyskytovali s najvyššou možnou účinnosťou (účinnosť). Bohužiaľ, účinnosť zdrojov optického žiarenia je veľmi nízka.
V analógových komunikačných systémoch pomer signálu k šumu priamo určuje kvalitu komunikačného kanálu. V digitálnych systémoch určuje pravdepodobnosť chyby pri rozhodovaní o tom, či bol alebo nebol prenášaný impulz. Táto otázka sa podrobne uvádza v Ch. 15; nižšie uvedené čísla však môžu pomôcť zhodnotiť charakteristiky, ktoré sa dajú očakávať od komunikačných liniek digitálnych optických vlákien. Je výhodné vyjadriť hodnoty rôznych úrovní výkonu optického signálu v relatívnych jednotkách, na ktoré napríklad charakterizuje úroveň výkonu vo vzťahu k 1 mW. Toto označenie je všeobecne akceptované v komunikačnej technológii.
Typické úrovne výkonu, ktoré môžu byť podávané pri viacúrovňovom vlákien u LED je pri použití polovodičový laser, môže byť zvýšená na minimálny výkon na vstupe prijímača, ktoré poskytujú dostatočne nízku rýchlosť chýb, zvyčajne rovné. Ako príklad uvažujme komunikačný systém s informačnou šírkou pásma 10 Mb / s. V tomto prípade musí byť požadovaná úroveň výkonu na vstupe prijímača objednávky. Musíme poskytnúť dodatočný výkon pre stratu vlákien a pre okraj výkonu systému. Posledná hodnota rovnajúca sa 10 dB je dostatočná. Výsledkom je nasledovné rozloženie napájania zdroja žiarenia:
Ak je koeficient útlmu vo vlákne 5 dB / km, používanie LED umožní inštalovať opakovače po 7,4 km a laser po 10 km. Je samozrejmé, že disperzné charakteristiky vlákien musia byť v týchto vzdialenostiach prispôsobené potrebnej rýchlosti prenosu informácií. V dôsledku toho musí byť rozptýlenie vlákna dostatočne malé na to, aby sa zabezpečila veľkosť rýchlosti prenosu informácií o vzdialenosť rovnajúcu sa v prvom a druhom. Ako bude zrejmé neskôr, hodnoty útlmu 5 dB / km a medza rozptylu sa zdajú byť veľmi mierne v porovnaní s charakteristikami štandardných komunikačných systémov využívajúcich najpokročilejšie typy optických vlákien. V mnohých vyvinutých optických komunikačných systémoch, popísaných v Ch. 17, sú dosiahnuté významne väčšie vzdialenosti medzi opakovačmi než v uvažovanom príklade.
CIELE
(pozri skenovanie)
(pozri skenovanie)
PREHĽAD
Výhody a nevýhody optických komunikačných systémov sú uvedené v tabuľke. 1.1.
Hoci doteraz hypotetické šírky pásma signálu v dôsledku použitia optických frekvencií doteraz realizovaná, a šírenia svetla vo voľnom priestore, má veľmi obmedzené použitie, však, optické vlákna, sú nové médium na prenos optických signálov v komunikačných systémoch, ktorý najlepšie vyhovuje digitálne prenosové systémy s vysokou dátovou priepustnosťou.
Tabuľka 1.2 znázorňuje použitie optických vlákien v digitálnych komunikačných systémoch rôznych úrovní hierarchie.
Vytváranie optických vlákien s nízkymi stratami (menej ako 5 dB / km), ako aj veľmi intenzívne a ľahko modulované polovodičové svetelné zdroje, prinieslo medzi vedúce postavenia v oblasti technických špecifikácií, ktoré sú základom elektrických komunikačných liniek, komunikačné linky s optickými vláknami.