3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принципы оптических преобразований

Лекция 25. Волоконно-оптические системы передачи

1.Общие сведения о волоконно-оптической связи.

2. Принцип приема оптического сигнала .

3. Принцип работы мультиплексора и демультиплексора

10.1 Общие сведения о волоконно-оптической связи

В настоящее время в развитых странах волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) широко внедряются на всех участках сетей связи. По сравнению с существующими системами связи на медных кабелях ВОСП обладают рядом преимуществ, основны­ми из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяю­щая организовывать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов с дальнейшим их наращиванием, а также предоставлять абоненту наряду с телефонной связью лю­бые виды услуг связи (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, телематическое и справочное обслуживание, рек­ламу, местную связь и др.); высокая защищенность от электро­магнитных помех; малое километрическое затухание и возмож­ность организации регенерационных участков большой протяжен­ности; значительная экономия меди и потенциально низкая стои­мость оптического кабеля (ОК) и др.

На передающей станции А (рис. 10.1) первичные сигналы в электрической форме поступают на аппаратуру системы передачи (СП), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудова­ние сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическо­му линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер) преобразу­ет электрический сигнал .с помощью модуляции оптической несу­щей в оптический сигнал. При распространении последнего по оп­тическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение. Для увеличения дальности связи через определенное расстоя­ние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются проме­жуточные обслуживаемые или необслуживаемые станции, где осу­ществляются коррекция искажений и компенсация затухания.

На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический и обратным преобра­зованием на выходе. В принципе возможно построение чисто оп­тических промежуточных станций на основе оптических кванто­вых усилителей. На приемной оконечной станции Б осуществля­ется обратное преобразование оптического сигнала в электриче­ский.

Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется для используемых в оп­тических передатчиках полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов) простыми техническими средст­вами. Для управления интенсивностью излучения полупроводни­кового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивает­ся электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Моду­ляция по интенсивности оптического излучения приводит и к про­стым решениям обратного преобразования оптического сигнала в электрический. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной ток которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, т. е. мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала.

Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относит­ся к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энер­гетический прием). Другим методом приема является метод фо­тосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный прием)

Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимае­мого оптического сигнала.

Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что час­тоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с не­обходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гете­родина.

В настоящее время ВОСП строятся как двухволоконные одно-полосные однокабельные (рис. 10.2). При таком построении пере­дача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически от­сутствуют, тракты передачи и приема различных систем органи­зуются по одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными.

К достоинствам данной схемы организации связи следует отнести однотипность оборудования передачи и приема оконечных и про­межуточных станций. Существенным недостатком является весь­ма низкий коэффициент использования пропускной способнос­ти ОВ.

С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование со­ставляет значительную часть стоимости ВОСП, а цены на опти­ческий кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования про­пускной способности ОВ за счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному ОВ при использовании на оконечных станциях оптических развязы­вающих устройств (ОРУ) и в линии промежуточных корректи­рующих усилителей (ПКУ) (рис. 10.3). Особенностью данной схе­мы является использование ОВ для передачи сигналов в двух на­правлениях на одной длине волны.

Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является наличие переходных помех между информацион­ными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рас­сеяния в ОВ, ответвителях, из-за отражения света от сварных сты­ков и разъемных соединений на концах линии. Помеху обратного рассеяния можно разделить на постоянную и частотно-зависимую переменную, влияние которых на чувствительность фотоприемного устройства различно. В табл. 10.1 приведены результаты расчетов постоянной составляющей переходного затухания.

Как видно из табл. 10.1, максимальное значение =39 дБ до­стигается в одномодовом ОВ (ООВ) при

На рис. 10.4 показаны кривые зависимости переходного затуха­ния переменной составляющей от скорости передачи информации В для многомодовых и одномодовых волокон. Значение А растет с увеличением скорости передачи информации и имеет максималь­ное значение в диапазоне 1,55 мкм. Уровень переменной состав­ляющей помехи с увеличением В уменьшается, крутизна спада равна примерно 10 дБ/окт. Оптимальный режим работы двусто­ронней ВОСП, при котором уровень переходной помехи минима­лен, достигается при мкм и скорости передачи информа­ции по ООВ более 35 Мбит/с.

Наибольший интерес представляют ВОСП со спектральным разделением (ВОСП-СР). Такие системы строятся как одноволоконные многополосные однокабельные (рис. 10.5). На передающей станции электрические сигналы от п .систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн С помощью мультиплексоров (МП) и демультиплексоров (ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на пе­редаче и разделение на приеме. Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разделенных .оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования пропускной способности волокна. Возможность построения таких систем ос­новывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания оптического кабеля в пределах используемого спект­рального диапазона от частоты (или длины волны) оптической несущей.

Принцип работы мультиплексора и демультиплексора основан на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции. В основе их структуры может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.

В многослойных структурах (рис. 10.6) можно выбрать волно­вую зону прозрачности и ширину этой зоны. Конструктивно муль­типлексор— это многослойная диэлектрическая структура, зажа­тая с обеих сторон двумя стержневыми линзами. Торцевые по­верхности линз покрыты поглощающей пленкой диэлектрика. Оп­тические оси линз и волокон смещены друг относительно друга. В большинстве случаев эти устройства имеют следующие харак­теристики: число волн 2—6, прямые потери 2. 5 дБ, переходное затухание 20 . 40 дБ, интервалы между длинами волн 30. 100 им.

В мультиплексорах на основе дифракционной решетки (рис. 10.7) используется зависимость угла дифракции луча, проходяще­го через дифракционную решетку отражательного типа, от длины волны. Следовательно, размещая ОВ в местах образования све­тового пятна, соответствующих различной длине волны, можно добиться разделения световых волн по длине. Конструктивно та­кие МП выполняются следующим образом. К одному из торцов стержневой линзы приклеена отражательная дифракционная ре­шетка. Разделительные свойства фильтра определяются избира­тельностью дифракционной решетки по длине волны и диаметром сердечника входных и выходных ОВ. Ширина полосы пропуска­ния пропорциональна диаметру сердечника, поэтому для ее рас­ширения используются входные и выходные оптические волокна большего диаметра. Мультиплексоры на основе Дифракционной решетки имеют следующие характеристики: полоса прозрачности около 20 нм, прямые потери не более 4 дБ, переходное затухание до 40 дБ.

Читать еще:  Черника для глаз

Перекрестные помехи, вызванные эффектом УВКР в ВОСП-СР, характеризуются условным отношением сигнал-шум С/Ш = = где — мощность оптического сигнала в ОВ одной несущей при отсутствии УВКР помехи; — то же, но при воздействии УВКР помехи. На рис. 10.8 показаны зависимости отношения сигнал-шум для двухканальной ВОСП-СР протяжен­ностью 50 км от мощности подводимого излучения при = 1,55 мкм, для различных и от разноса оптических несущих при различных уровнях мощности подво­димого излучения

Анализируя зависимости, можно отметить, что заметное (бо­лее 20 дБ) подавление УВКР-помехи в ВОСП-СР может быть обеспечено даже при сравнительно больших (несколько милли­ватт) мощностях излучения в ОВ, если разнос спектральных не­сущих не превышает 10 нм. Это указывает на целесообразность использования в ВОСП-СР мультиплексоров и демодуляторов, а также излучателей с высокой разрешающей способностью по дли­не волны. Данное условие согласуется с рекомендациями по по­строению ВОСП-СР с минимальным разносом несущих, основан­ными на оценках энергетического потенциала и широкополосности таких систем.

Изменение отношения сигнал/шум, обусловленное УВКР, наи­более заметно на начальном участке ОВ и практически не зави­сит от уровня мощности передаваемых сигналов. При длине ОВ более 15 км влияние эффектов УВКР стабилизируется.

При использовании OB в качестве среды распространения ин­формационных сигналов можно использовать различные методы его уплотнения: временное, пространственное, частотное и спект­ральное.

3.2. Принципы преобразования в волоконно-оптических датчиках физических величин

По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны [34]

(3.8)

распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии: Em – амплитуда электрического поля, фаза φ, состояние или направление поляризации электрического вектора р, или частота ω.

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины. В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения. Далее преобразованное оптическое излучение через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство. Структура преобразований в волоконно-оптическом датчике показана на рис. 3.1.

В основу классификации волоконно-оптических датчиков целесообразно положить различия оптических схем модуляции света, фазовой модуляции света (интерференционные), поляризационные датчики, частотные датчики.

1. Волоконно-оптические датчики (ВОД) с амплитудной модуляцией различаются способом осуществления модуляции, в частности, имеются датчики с измеряемым коэффициентом поглощения материала чувствительного элемента; отражательно-пропускательного типа (со шторками, встречными решетками, с относительным перемещением источников и приемников излучения); с нарушением полного внутреннего отражения (с изменяемой площадью оптического контакта, с измеряемым показателем преломления); на основе управления излучением в световодах (управляемая связь световодов, преобразование мод и т.п.).

Чувствительный элемент в таких датчиках представляет собой либо специально встроенное в волоконно-оптический тракт модулирующее устройство, либо введенную в волоконную линию нерегулярность (разрыв, изгиб и т.д.). Такие нерегулярности могут существенно менять амплитудную передаточную характеристику волокна. Для детектирования модулированного светового сигнала применяется обычная методика фотодетектирования.

2. Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией (интерференционные) представляют собой устройства, регистрирующие изменения фазы оптического излучения, распространяющегося по оптическому каналу. Эти датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяженном отрезке волокна. Изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. В основу действия датчиков фазовой модуляции положен один из трех принципов: интерферометра Маха – Цендера (волоконно-оптические, интегральные); межмодовой интерференции – двухмодовые, многомодовые, с модами одной (или разной) поляризации; одноволоконного интерферометра с двунаправленной оптической связью (оптические, волоконные); известны также датчики на основе интерферометра Фабри – Перо.

Для детектирования сигнала фазовых волоконно-оптических датчиков необходимо применять когерентные методы – гомо- и гетеродинное детектирование.

3. Поляризационные датчики основаны на зависимости изменения поляризации излучения при прохождении его через оптические среды, находящиеся под воздействием измеряемой величины.

Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема со скрещенными поляроидами.

4. Частотные датчики представляют собой устройства, в которых исследуемое физическое воздействие изменяет частоту ω генерируемого, отраженного или пропускаемого света.

Применение поляризационного представления измерительной информации требует специальной элементной базы (световодов, ответвителей и др.), сохраняющей плоскость поляризации проходящего излучения. Создание этой элементной базы находится в настоящее время на начальной стадии, поэтому ВОД с поляризационным представлением измерительной информации пока не могут составить конкуренцию другим видам ВОД.

При передаче измерительной информации путем модуляции фазы оптической волны возникают проблемы с мультиплексированием информации (т.е. передачей по одному общему световоду измерительной информации от нескольких датчиков). Кроме того, в связи с высокой частотой оптических волн даже незначительные деформации световодов, вызванные дестабилизирующими воздействиями, приводят к паразитной модуляции фазы передаваемого излучения. Это определяет низкую устойчивость фазовых ВОД к дестабилизирующим воздействиям.

Более перспективно использование цифровых методов передачи информации в ВОД, отличающихся, с одной стороны, удобством и простотой мультиплексирования измерительной информации, а с другой – высокой устойчивостью к дестабилизирующим воздействиям. Достоинством цифровых методов передачи информации являются также удобство сопряжения с ЭВМ, общая элементная база с цифровыми волоконно-оптическими линями связи.

Однако в настоящее время круг ВОД с цифровым выходным сигналом достаточно ограничен. Использование же дополнительных устройств для преобразования аналоговых выходных сигналов ВОД в цифровую форму, как правило, приводит к необходимости двойного оптоэлектронного и электрооптического преобразования, а, следовательно, резко ухудшает массогабаритные показатели, повышает энергопотребление, снижает помехозащищенность информации.

В то же время частота оптической волны, частота и фаза сигнала, модулирующего оптическое излучение, при распространении его по световоду практически не зависят от дестабилизирующих воздействий. Это обусловлено слабым влиянием интенсивности излучения на данные параметры, а, следовательно, и на измерительную информацию.

Таким образом, с точки зрения создания ВОД физических величин, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, наиболее перспективными являются направления создания ВОД на основе использования в качестве информационных характеристик частоты и фазы сигнала, модулирующего интенсивность оптического излучения, а также частоты оптической волны. При частотном представлении измерительной информации, кроме того, существенно упрощается построение мультиплексных сетей ВОД [1].

Средства измерений и контроля с оптическим и оптико-механическим преобразованием

Оптико-механические измерительные приборы. Эти приборы находят широкое применение в измерительных лабораториях и в цехах для измерения размеров калибров, плоскопараллельных концевых мер длины, точных изделий, а также для настройки и проверки средств активного и пассивного контроля. Эти приборы основаны на сочетании оптических схем и механических передач. К оптико-механическим измерительным приборам относятся: пружинно-оптические измерительные головки (оптикаторы), оптиметры, ультраоптиметры, длиномеры, измерительные машины, интерферометры и ряд других приборов.

Читать еще:  Уменьшаем внутриглазное давление при закапывании бетоптиком

Рис. 2.25. Оптиметр: а — вертикальный; б — горизонтальный

Рис. 2.26. Оптическая схема оптиметра:

7 — окуляр; 2 — зеркало; 3 — трехгранная призма; 4 — стеклянная пластинка; 5— призма полного отражения; 6 — измерительный стержень; 7 — зеркало поворотное; в — объектив

Оптиметр состоит из измерительной головки, называемой трубкой оптиметра, и вертикальной или горизонтальной стойки. В зависимости от вида стойки оптиметры подразделяют на вертикальные (например, ОВО-1, или ИКВ) (рис. 2.25, а) и горизонтальные (например, ОГО-1, или ИКГ) (рис. 2.25, б). Выпускают также горизонтальные и вертикальные проекционные оптиметры (ОГЭ-1 или ОВЭ-02). У последних отсчет результата измерения производится по шкале, проецируемой на экран. Вертикальные оптиметры предназначены для измерений наружных размеров деталей, а горизонтальные — для измерения как наружных, так и внутренних размеров.

В оптической схеме оптиметров использованы принципы автоколлимации и оптического рычага. Принцип действия трубки оптиметра показан на рис. 2.26. Лучи от источника света направляются зеркалом 2 в щель трубки и, преломляясь трехгранной призмой 3, проходят через шкалу, имеющую 200 делений, нанесенных на плоскость стеклянной пластинки 4. Пройдя шкалу, луч попадает на призму полного отражения 5 и, отразившись от нее под прямым углом, направляется на объектив 8 и зеркало поворотное 7. Качающееся зеркало пружиной прижимается к измерительному стержню 6. При перемещении стержня 6, опирающегося на измеряемую деталь, зеркало 7 поворачивается на угол а вокруг оси, проходящей через центр опорного шарика, что вызывает отклонение отраженных от зеркала 7 лучей на угол 2а. Отраженный пучок лучей объективом превращается в сходящийся пучок, который дает изображение шкалы. При этом шкала смещается в вертикальном направлении относительно неподвижного указателя на некоторую величину, пропорциональную измеряемому размеру. Изображение шкалы наблюдается в окуляр 1, как правило, одним глазом, что утомляет контролера. Для обеспечения отсчета на окуляр 1 надевают специальную проекционную насадку, на экране которой можно наблюдать изображение шкалы обоими глазами. Основные метрологические характеристики оптиметров см. в табл. 2.9.

Оптический длиномер (рис. 2.27, а) состоит из измерительной головки и вертикальной или горизонтальной стойки. Схема работы длиномера показана на рис. 2.27, б. Конструкция длиномера соответствует принципу Э.Аббе, т. е. основная шкала является продолжением измеряемой детали 3. В пиноли 5 закреплен измерительный наконечник 4, входящий в соприкосновение с измеряемой деталью 3. Сила тяжести пиноли 5 уравновешена противовесом 1, который перемещается внутри масляного демпфера 2. Пиноль 5 соединена с противовесом стальной лентой 9, перекинутой через блоки, причем измерительная сила длиномера определяется разностью масс пиноли 5 и противовеса 1. Эта сила регулируется с помощью грузовых шайб 8. Отсчеты по стеклянной шкале 6, освещаемой источником света S, производят с помощью отсчетного микроскопа 7 со спиральным нониусом.

В настоящее время все большее распространение получают длиномеры с цифровым отсчетом, на табло которых высвечивается непосредственно измеряемый размер.

Основные метрологические характеристики оптических длиномеров см. в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Основные метрологические характеристики оптико-механических приборов

Наименование и тип прибора

Цена деления шкалы, мкм

Пределы измерений по шкале, мкм

Пределы допускаемой погрешности на любом участке шкалы в пределах 100 делений, мкм

Наибольшее измерительное усилие (колебание измерительного усилия), Н

Теория оптического волокна. Оптоволоконные технологии

Закон оптики

Породить световую волну довольно просто, не так-то просто ее сохранить и управлять ею. Однако это возможно, если использовать оптические законы распространения света. В оптоволоконных технологиях используется волновая теория света. Т.е. свет рассматривается как электромагнитная волна определенной длины. Для ее транспортировки используются изолированные оптически прозрачные среды. В однородной среде электромагнитная волна распространяется прямолинейно, однако на границе изменения плотности среды ее направление и качественный состав меняются. В упрощенном варианте рассмотрим две граничащие среды с разной плотностью. Распространяясь в одной из них луч может достигать поверхности другой под некоторым углом a (к нормали поверхности). При этом волна частично отражается в среду из которой пришла под углом b и частично проникает в новую среду в измененном направлении под углом c.

Согласно физическим законам распространения света угол падения луча равен углу отражения, т.е. a=b. Также если обозначить величину плотности сред как n1 и n2, то угол преломления c, находится из соотношения n1*sin a = n2*sin c (1). Эффект преломления света может отсутствовать, т.е. возможна ситуация полного отражения света. Для этого достаточно, чтобы угол c был хотя бы нулевым. Трансформируя выражение (1) получаем достаточное условие полного отражения света: sin a = n2/n1. Именно за счет данного эффекта в современных оптоволоконных технологиях удается управлять распространением света в требуемой среде.

Принцип оптического волокна

Для того, чтобы передать свет на большие расстояния необходимо сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно во-первых обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым сведя к минимуму поглощение волны, и во-вторых обеспечить правильную траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики, описанного выше. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч «гулять» внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием.

Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связанно во-первых со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и в-третьих с неидеальной инсталяцией оптического кабеля.

Межмодовая дисперсия

Поскольку источники излучения не идеальны, испускаемые ими волны не совсем идентичны и могут различаться по направлению распространения. Единичная независимая траектория распространения волны именуется модой. Очевидно, что луч, направленный параллельно оси световода проходит меньшее расстояние, нежели луч распространяющийся по траектории ломаной за счет эффекта отражения. Как следствие, лучи достигнут конца сердечника в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, входящих в световод под разными углами. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разные моменты. Именно этот разброс времени и называется межмодовой дисперсией.

Межчастотная дисперсия

Погрешность источников излучения еще состоит и в некотором разбросе генерируемых частот. Испускаемые волны не совсем идентичны и могут различаться по длине. Согласно законам физики более короткие волны распространяются быстрее, а следовательно волны достигают конца световода в разные моменты времени.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество входящих в световод волн с разной частотой. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется межчастотной дисперсией.

Материальная дисперсия

Скорость преодоления расстояний волной зависит не только от частоты, но и от плотности среды распространения. В применяемых в настоящее время световодах распределение плотности сердечника может быть неравномерным, как в случае с градиентными волокнами (об этом позже). Вследствие этого волны, проходящие путь по разным траекториям обладают разными скоростями распространения и оказываются в приемнике в разное время.

При учете неидеальных свойств применяемых источников светового сигнала возможна ситуация, когда изначальный световой импульс содержит некоторое множество волн, проходящих световод по разным траекториям, каждая из которых пересекает участки среды с разными плотностями. В итоге импульс раскладывается на множество отдельных волн, достигающих приемник в разное время. Именно этот разброс времени и называется материальной дисперсией.

Влияние дисперсии на пропускную способность канала

Многомодовое ступенчатое волокно

Основное различие между вариантами оптического волокна состоит в свойствах применяемого в них сердечника. Самый простой вариант сердечника — это кварцевое стекло с равномерной плотностью. Если отобразить плотности распределения слоев волокна, то получится ступенчатая картина, что и отображено в названии этого типа волокна. При достаточно большом радиусе равномерно плотного световода наблюдается эффект межмодовой дисперсии. Ее влияние на производительность оптического канала оказывается много больше межчастотной и материальной. Поэтому при расчете пропускной способности канала пользуются именно ее показателями.

В настоящее время используют три стандартных диаметра сердечника многомодового волокна: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон. Наиболее распространены световоды диаметром 62.5 микрон, однако постепенно все более прочные позиции завоевывает сердечник 50 микрон. Вследствие простых геометрических законов распространения света несложно убедиться в его большей пропускной способности, поскольку он пропускает меньшее количество мод, тем самым уменьшая дисперсию импульса на выходе. Размер световодов выбран не случайно. Он непосредственно связан с используемой частотой световой волны. На данный момент выделяют три основных длины волны: 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Почему выбраны именно эти длины волн, мы поясним позже.
Многомодовые ступенчатые волокна обладают малой пропускной способностью относительно действительных возможностей света, в связи с этим чаще в многомодовой технологии используют градиентные волокна.

Многомодовое градиентное волокно

Название волокна говорит само за себя. Основное отличие градиентного волокна от ступенчатого заключается в неравномерной плотности материала световода. Если отобразить плотности распределение на графике, то получится параболическая картина. Эффект межмодовой дисперсии как и в случае ступенчатой схемы все же проявляется, однако намного меньше. Это легко объяснимо с точки зрении геометрии. На рисунке видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Более того интересен тот факт, что лучи проходящие дальше от оси световода хотя и преодолевают большие расстояния, но при этом имеют большие скорости, так как плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В итоге более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачно сбалансированном распределении плотности стекла возможно свести к минимуму разницу во времени распространения, за счет этого межмодовая дисперсия градиентного волокна намного меньше. Как и в случае со ступенчатым волокном, в настоящее время используют три стандартных диаметра градиентного сердечника: 100 микрон, 62.5 микрон и 50 микрон, работающих также на частотах 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Однако насколько не были бы сбалансированны градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравниться с одномодовыми технологиями.

Одномодовое волокно

Согласно законам физики, при достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Т.е. при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны.

Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии. Как уже отмечалась именно эта дисперсия имеет наибольшее влияние на пропускную способность канала. Величины материальной и межчастотной дисперсии на порядки меньше межмодовой. Однако одномодовое волокно исключает возможность распространения нескольких лучей, поэтому межмодовая дисперсия отсутствует, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 микрон. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая и градиентная плотность распределения материала. Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях, многомодовые же кабели завоевали свою нишу в локальных компьютерных сетях.

Затухание сигнала, окна прозрачности

Кроме сложностей, связанных с уменьшением дисперсии волны, существует и проблема сохранения мощности передаваемого сигнала. Хотя световую волну сохранить легче, чем электрический ток, она испытывает эффект поглощения и рассеивания. Первый связан с преобразованием одного вида энергии в другой. Так волна определенной длины порождает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, в других происходит резонанс. Это в свою очередь и порождает преобразование энергии. Известно, что поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. В связи с этим применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как резко возрастают потери при нагреве световодов. Однако с другой стороны безгранично снижать длины волн тоже нецелесообразно, так как в этом случае возрастают потери на рассеивании сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения волны определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях.

Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны, с чем связано ухудшение теоретической прозрачности материала световода в двух окрестностях. В итоге образуются три окна в диапазоне длин волн. В рамках этих окон затухание волны имеет наименьшее значение. Сам параметр оптических потерь измеряется в децибелах на километр.

Используемые длины волн

Именно «окна прозрачности» определили длины волн, которые используются в современных оптоволоконных технологиях. Чаще всего это три длины — 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей.
Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм.

Материалы предоставлены компаний AESP, известным производителем сетевого и коммуникационного оборудования, разработчиком кабельной системы SygnaMax.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector