Физические основы передачи оптических сигналов на ОВ

Физические основы распространения излучения по оптическому волокну

План

1. Волоконный световод

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод. Это тонкое стеклянное волокно цилиндрической формы, по которому происходит передача электромагнитного излучения микронного диапазона волн, соответствующего частотам 10¹⁴-10¹⁵ Гц. Принцип действия волоконного световода основан на использовании процессов отражения и преломления оптической волны на границе раздела двух сред с различными оптическими свойствами, зависящими от показателя преломления n.

При падении луча на границу раздела двух сред в общем случае появляются преломленная и отраженная волны.

Обычно волоконные световоды имеют круглое поперечное сечение и состоят из двух концентрических слоев оптически прозрачного диэлектрика. В центре располагается сердцевина из оптически более плотного кварца, его окружает оболочка из кварца с меньшей оптической плотностью. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. Профиль показателя преломления – это закон, который показывает, как может меняться или оставаться постоянным показатель преломления оболочки вдоль радиуса. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки.

2. Физические и технические особенности

Физические особенности:

1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10¹⁴Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹²бит/с или Терабит/с.(т.е. по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов). Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

2. Очень малое затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

Технические особенности:

1.Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния.

2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

3. Стеклянные волокна — не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.

Существует способ скрытой передачи информации по оптическим линиям связи. При скрытой передаче сигнал от источника излучения модулируется не по амплитуде, как в обычных системах, а по фазе. Затем сигнал смешивается с самим собой, задержанным на некоторое время, большее, чем время когерентности источника излучения. При таком способе передачи информация не может быть перехвачена амплитудным приемником излучения, так как он зарегистрирует лишь сигнал постоянной интенсивности.

5.Важное свойство оптического волокна — долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

3. Общие сведения об оптоволокне

Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2.

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.

Конструктивно все оптичеcкие волокна содержат в себе некоторое число нижеперечисленных слоев:

1. сердечник, который несет в себе большую часть света

2. отражающая оболочка, преломляющая свет и ограничивающая его в сердечнике

3. покрытие первичного буфера, обеспечивающее первый уровень механической защиты

4. покрытие вторичного буфера, которое защищает относительно хрупкое первичное покрытие и само волокно.

Многомодовое волокно

В случае многомодового волокна диаметр сердечника по сравнению с длиной световой волны относительно большой. Диаметр сердечника от 50 микрон до 1000 в сравнении с длиной волны света 1300 нм. Это означает, что свет может распространяться в волокне в различных направлениях или модах — отсюда и название многомодовое волокно. Простейший и достаточно старый тип — это волокно с шаговым индексом. Коэффициент преломления — возможность материала отражать свет — в нем постоянен по всему сечению сердечника.

В многомодовом волокне лучи света, соответствующие различным модам, проходят различные дистанции. Если в такое волокно ввести короткий импульс света, то его лучи прибудут на противоположный конец через различные промежутки времени, и выходной импульс будет шире, чем входной. Это явление называют модовая дисперсия. Она ограничивает число импульсов в секунду, которые могут быть переданы через волокно и все еще распознающихся на противоположном конце, как отдельные импульсы. По этой причине пропускная способность волокна с шаговым индексом невелика и составляет 20 -30 МГц для кабеля длиной 1 км.

4. Физика светопередачи

В градиентном световоде рефракция приводит к самофокусировке отдельных лучей на осевой линии, при этом их траектории представляют собой синусоиды, а для немеридиональиых лучей - винтовые линии.

Удержание излучения внутри оптически более плотной центральной части световода обеспечивается не для всех лучей, а лишь для той их части, которые падают на торец не слишком косо (угол падения отсчитывается от нормали к плоскости торца). Для каждого световода имеется некоторый критический угол φ₀ определяющий его угловую апертуру: лишь лучи с угламираспространяются по волокну. Величина называется числовой апертурой и является важной характеристикой световода; именно этот параметр входит во многие расчетные формулы. Излучение, заключенное внутри конуса с углом при вершине представляет собой направляемые или каналируемые лучи (моды). Если то после многократного повторения акта отражения - преломления на границе сердцевина - оболочка вся энергия луча перейдет в оболочку и удержится в ней, если выполняется условие полного внутреннего отражения на внешней границе оболочки. Эта часть излучения представляет собой вытекающие или оболочечные лучи (моды). Если условие не выполняется, то лучи выходят и из оболочки - это излучаемые моды. При больших длинах распространения вытекающие лучи поглощаются в оболочке (менее прозрачной, чем сердечник) и в процессе светопередачи по волокну участвуют только внутриапертурные направляемые лучи.

Описанным механизмом светопередачи обусловлена и дисперсия волокна, заключающаяся в различии групповых скоростей составляющих оптического излучения. Этот эффект вызывается двумя причинами:

во-первых, лучи с разными углами падения проходят в световоде различные расстояния и,

во-вторых, свойства материала зависят от длины волны излучения, а любой реальный источник не строго монохроматичен.

Иными словами, дисперсия волокна, трактуемая более широко, чем это принято в традиционной оптике, зависит не только от степени когерентности излучения, но и от геометрических характеристик волокна.

Согласно сказанному выделяют три составляющие дисперсии:

межмодовую (или волноводную), обусловленную различием групповых скоростей различных мод [см. формулу (1.25)];

внутри-модовую, обусловленную нелинейной зависимостью постоянной распространения данной моды от длины волны; материальную- (дисперсию материала), выражающуюся в зависимости показателя преломления среды от длины волны.

5. Затухание