Характеристика діапазону електромагнітних хвиль і фізичних середовищ для оптичного зв’язку

Контрольні питання

1. Яке призначення мають рознімні оптичні з’єднувачі?

2. Де застосовуються рознімні з’єднувачі?

3. Коли можна з’єднати вихід оптичного передавача з оптичним приймачем в одному мультиплексорі SDH?

4. Яке призначення атенюаторів ВОСП?

5. Які функції виконують оптичні розгалужувачі?

6. Як улаштований і працює оптичний вентиль?

7. Що загального між оптичними фільтрами, мультиплексорами та демультиплексорами?

8. Пояснити роботу фазованої хвилеводної решітки в якості мультиплексора.

9. Для чого застосовуються оптичні циркулятори?

10. Що забезпечують компенсатори дисперсії?

11. Чому дифракційні решітки можуть бути використані для компенсації дисперсії?

12. Коли потрібно перетворення довжини хвилі випромінювання?

13. Як перетвориться хвиля з інформаційним сигналом?

14. Які види оптичних комутаторів можуть використовуватися у ВОСП, кросових комутаторах і маршрутизаторах?

15. Чим відрізняються оптичні комутатори?

16. Які комутатори мають найвищу швидкодію?

17. Що являють собою фотонні кристали?

18. Які переваги мають фотонно-кристалічні волокна?

Розробив:

доцент КІ

к.т.н., доцент Слюсарь І.І.

Передача інформації за допомогою світла відома дуже давно. Людство стало використовувати сигнальні засоби – багаття, прапорці, світлофори, семафори, сигнальні лампи і т. ін. Однак вперше більш серйозна лінія зв’язку довжиною в 200 км з’явилася у Франції в 1790 р. Лінія ця являла собою оптичну телеграфну лінію, повідомлення по який проходило за 15 хв. У 1870 р. англієць Д. Гіндаль провів експерименти по передачі світла в потоці води. У 1880 р. Олександр Бел винайшов фотофон для передачі мови за допомогою світла. В основі роботи цього приладу покладений принцип модуляції світлового потоку мовним сигналом. Цей спосіб передачі мови за допомогою світла зберігся до сучасності. У 1934 р. американець Н. Френч запатентував спосіб передачі мови по кабелю зі скла. Такий кабель мав велике загасання та низку інших недоліків, що не дозволило застосувати його в широких масштабах. Надалі була зроблена спроба організувати передачу світла по порожньому (трубчастому) кабелю з дзеркальними внутрішніми стінками. Спроба ця не мала успіху, тому що при цьому виникли проблеми, що на той момент вирішити не вдалося. Чому ж до 70-х рр. минулого сторіччя передача світла на великі відстані була неможливою?

Першою причиною є те, що видиме світло, одержуване від ламп накалювання або подібних джерел, не придатне для передачі інформації з великими швидкостями. Для цього необхідне джерело світла, яке випромінює світло в ідеальному випадку на одній хвилі або в дуже вузькій смузі частот (рис. 1).

Другою причиною є те, що відкритий простір (приземні шари атмосфери) не придатні для організації зв’язку за допомогою світлового потоку, оскільки під час опадів (дощ, сніг, туман) така лінія передачі припиняє функціонувати. Як наслідок, для передачі світлових сигналів необхідне створення спеціального (штучного) середовища поширення з низьким коефіцієнтом загасання.

Рисунок 1. Когерентні та некогерентні джерела світла.

Рисунок 2 Розповсюдження оптичного променю та типи оптичних волокон (ОВ).

По-перше, тільки в 1958 р. був розроблено, а запущено у роботу в 1960 р. джерело світла вченими Артуром Шавковим і Чарльзом Гаупсом. Сьогодні такі джерела світла відомі за назвою «лазери». Через 2 роки (1962 р.) іншими вченими принципово була доведена можливість одержання лазерного випромінювання за допомогою напівпровідників тобто твердотільних елементів. Паралельно було доведено, що напівпровідники можуть виступати в ролі приймачів оптичного випромінювання. Після цього промисловість освоїла випуск напівпровідникових лазерів, світлодіодів і фотодіодів. У такий спосіб проблема дешевого та довговічного джерела когерентного випромінювання була вирішена, а попутно була вирішена проблема реєстрації цього випромінювання на приймальній стороні лінії.

По-друге, хронологія подій була наступна. 1966 р. – (Англія) скловолокно (Ч. Као і Д. Хокім) – велике загасання 1000 дБ/км (20 дБ/км – рентабельно), 1970 р. – фірма «Корнінг Глас Уоркс» досягла загасання <20 дБ/км. 1972 р. – фірма «Корнінг Глас Уоркс» досягла загасання – 4 дБ/км. Сьогодні – фірма «Корнінг Глас Уоркс» досягла загасання – 0,2 дБ/км. 1976 р. – пробна траса в Мюнхені фірми «Simens» мала довжину 2,1 км. Сьогодні щорічно прокладається > 6 млн. км ОК.

Отже, принцип волоконно-оптичного зв’язкуполягає в перетворенні електричних сигналів в оптичні, для передачі яких використовують світловод, та зворотному перетворенні на приймальній стороні.

У якості такого застосовується тонка скляна нитка, циліндричної форми, із круглим поперечним перерізом (рис. 2). Проведемо більш детальну характеристику діапазону електромагнітних хвиль для оптичного зв’язку (табл. 5). Радіо, проводові та кабельні системи передачі використовують поняття частоти для опису робочої області, займаною системою в радіочастотному спектрі. Стосовно ВОСП найчастіше для опису положення їхньої робочої області в радіочастотному спектрі використовується поняття довжини хвилі.

Таблиця 5

Порівняння впливу різних причин на погіршення показників різних систем передачі.

Показник / причина	Радіосистеми та безпроводові системи	Проводові системи	ВОСП
ВЕ	1´10^-9	1´10^-10	1´10^-12
Втрати лінії	Принципові погіршення	Принципові погіршення	Принципові погіршення
Дисперсія	Можуть бути погіршення при великій швидкості	Не є першопричиною погіршення	Можуть бути погіршення при великій швидкості
Завмирання	Впливають	Немає	Немає
Накопичений джітер	Помірковано впливає	Сильно впливає	Мало впливає
Незахищеність	Низька	Середня	Висока
Ємність каналу	Низька/середня	Низька/середня	Дуже висока
Втрати поглинання при дощі	Основні втрати на частоті 10 ГГц	Немає	Немає
ЭМС: чутливість до електромагнітного випромінювання	Існує	Існує	Немає
ЭМС: генерація електромагнітного випромінювання	Існує	До деякого степеня	Немає

При цьому варто мати на увазі наступні зауваження.

1. BER – ВОСП проектуються в загальному випадку з розрахунку на ВЕ =1´10^-12. ВОСП або мають обмеження по втратах сигналу, або по (накопиченій) дисперсії. Радіосистеми та безпроводові СП можуть мати обмеження по дисперсії. Однак, просторове рознесення та автоматичне вирівнювання сигналу проміжної частоти (ПЧ) дозволяють боротись з дисперсією. Зазначені шкідливі ефекти дають аналогічний результат, а саме: міжсимвольні перекручування, що призводять до погіршення або серйозного погіршення показників помилок. Проводові системи мають обмеження по втратах сигналу.

2. Незахищеність. Проводові системи і ВОСП слабко захищені від випадкового або навмисного обриву кабелю. І ті й інші страждають також від впливів навколишнього середовища (пошкодження від води або морозу). Тобто, основний недолік ВОСП - їхня незахищеність.

3. Втрати при дощі. Широка смуга використовуваних частот у радіосистемах і безпроводових системах досягається на частотах > 10 ГГц, що призводить до зменшення довжини лінії передачі, викликаному втратами на поглинання сигналу при дощі; чим вище частота, тим більше обмежень на час приступності (тобто надійного поширення). Звичайно, для проводових систем і ВОСП зазначене явище не відноситься.

4. ЭМС. Цей показник має 2 аспекти: чутливість до випромінювання та генерація випромінювання. Генерація випромінювання означає, що система може бути джерелом електромагнітних перешкод (RFI). Чутливість до випромінювання ясно говорить про незахищеність від електромагнітних завад. Для радіосистем має місце як генерація випромінювання, так і чутливість до випромінювання. Часто обоє явища призводять до проблем. Проводові системи також чутливі до електромагнітного випромінювання. ВОСП - навпаки, не випромінюють і нечутливі до електромагнітних завад.

Надалі, будемо вважати, що світло – це розширення радіочастотного спектра на його високочастотному кінці. Ця концепція безперервного спектра ілюструється рис. 3. Для довжини хвилі звичайно використовується позначення l (основною одиницею виміру є метр). Ми можемо пов’язати частоту в герцах і довжину хвилі в метрах (м), використовуючи традиційну формулу:

м/с, (1)

де – швидкість світла у вакуумі, а F і l вимірюються відповідно у герцах та метрах.)

Робочі довжини хвиль у волоконній оптиці звичайно приводяться в нанометрах (нм): 1 нанометр це: 1 нм = 1´10^-9 м або 0,000000001 м. При перекладі довжин хвиль у частоту для практичних цілей, наприклад у системах WDM, звичайно використовують більш точну оцінку швидкості світла - 2,99792458, у результаті одержуємо частоту 228,849 ТГц із точністю до 1 ГГц.

Найбільше застосування для оптичного зв’язку має діапазон, що називають ближньою інфрачервоною зоною (0,8...675 мкм). Його використання обумовлене двома факторами: по шкалі енергій цей діапазон відповідає ширині забороненої зони ряду напівпровідників, тобто кванти такого випромінювання можуть породжуватися та поглинатися з іонізацією лише валентних електронів; цей діапазон відрізняється найбільшою прозорістю в таких середовищах поширення хвиль як скловолокно та повітряна атмосфера. Отже, існує можливість виготовлення ефективних напівпровідникових приладів і узгодження їхній із середовищами передачі. Хвилям оптичного випромінювання характерні не тільки хвильові явища (дифракція, інтерференція), але й квантові або корпускулярні.

Рисунок 3. Частотний спектр вище 300 МГц, де показане положення робочої області ВОСП.

Рисунок 4. Загасання ОВ в залежності від довжини хвилі (показані 3 вікна прозорості, використовувані для ВОСП).

На рис. 4 показані 3 основних вікна прозорості, що є робочими діапазонами довжин хвиль для ВОСП: 820-900 нм; 1280-1350 нм; 1528-1561 нм. Останнє вікно може бути розширене до 1620 нм (Цю область звичайно називають 4-им вікном прозорості). Якщо оцінити частоти, що відповідають останньому вікну і його розширенню, то, використовуючи (1), можна одержати для 1528 і 1620 нм відповідно F₁ і F₂:

ТГц, ТГц.

Віднімаючи F₂ з F₁ одержимо, що корисна робоча смуга цих вікон дорівнює 11 ТГц. Ця ширина смуги в 110 разів більше тієї, що може бути використана в радіочастотній частині спектра. Корисна ширина смуги одиночного випромененого світлового імпульсу визначається імпульсною передатною функцією розглянутого оптичного волокна (ОВ) як смуга радіосигналу, відлічена на рівні -3 дБ за потужністю. Це можна співвіднести безпосередньо зі струмом в оптичному детекторі. Так, відомо, що електрична потужність в такому детекторі, пропорційна I², тому рівень -3 дБ оптичної потужності (обумовлений як рівень, що відповідає 50% зменшенню струму I) приведе до рівня -6 дБ електричної потужності (обумовленому як рівень, що відповідає 75% зменшенню струму I²). Таким чином, рівень -3 дБ оптичної ширини смуги дорівнює рівню -6 дБ електричної ширини смуги частот. З цього випливає, що ширина електричної смуги частот на рівні -3 дБ повинна бути менше, ніж ширина оптичної смуги на тому ж рівні -3 дБ.

Поширення оптичних електромагнітних хвиль може відбуватися в різних фізичних середовищах: в атмосфері, у волоконних світловодах, виконаних з різних матеріалів (скла, напівпровідників, пластмас), у хвилеводах інтегральних мікросхем, у ближньому і дальньому космосі. Конструкції оптичних хвилеводів і оптичні характеристики матеріалів хвилеводів визначають цілу низку параметрів середовищ передачі оптичних сигналів: апертуру вводу випромінювань у хвилевід; модовий спектр хвилеводу; загасання; дисперсійні перекручування оптичних імпульсів, що виникають через різну швидкість поширення спектральних компонентів у хвилеводі, поляризаційну чутливість. Для реалізації СП найбільший інтерес представляють такі фізичні середовища як скляні та напівпровідникові волокна, хвилеводи мікросхем і атмосфера Землі. До найважливіших характеристик середовищ поширення оптичних випромінювань необхідно віднести наступні показники і залежності.

Показник переломлення (n) прозорої речовини являє собою відношення швидкості світла у вакуумі (с) до швидкості світла в даній речовині (v), тобто . Крім того, показник переломлення залежить від параметрів середовища і розраховується по формулі:

, (2)

де і - відносні відповідно діелектрична та магнітна проникності.

З огляду на те, що відносна магнітна проникність прозорої речовини звичайно постійна та дорівнює одиниці, показник переломлення визначається: для серцевини , для оболонки . Показник переломлення оболонки постійний, а серцевини в загальному випадку є функцією поперечної координати. Цю функцію називають профілем показника переломлення (ППП). При падінні променя світла на границю розподілу 2-х середовищ можуть спостерігатися наступні ефекти: промінь світла переломлюється; промінь світла відбивається; промінь світла поширюється уздовж границі розподілу середовищ. Ці ефекти залежать від співвідношення показників переломлення середовищ і кута падіння світла. На рис. 5 наведений приклад поширення світла на границі розподілу середовищ. Зв’язок цих параметрів встановлює закон Снеліуса (голландський вчений 1580-1620 р.):

, (3)

де – кут падіння, – кут переломлення, V ₁ – швидкість світла в середовищі 1, V ₂ – швидкість світла в середовищі 2.

Умова Брега-Вульфа (Брег У.Л. (1862-1942 рр.) – англійський фізик, Вульф Г.В. (1863-1925 рр.) – російський фізик)встановлює зв’язок періодичного середовища з напрямком ефективно дифрагуючих променів світла та довжиною хвилі випромінювання:

, (4)

де d – відстань між елементами, що відбивають, Q – кут між падаючим променем і площиною, що відбиває, – довжина хвилі випромінювання, m – порядок дифракції.

Рисунок 5. Світлові промені на границі розподілу фізичних середовищ.

Рисунок 6.Залежність показника переломлення.

Таким чином, для передачі електромагнітної енергії по світловоду використовується відоме явище повного внутрішнього відбиття на границі розподілу 2-ох діелектричних середовищ, тому необхідно, щоб n₁>n₂.

Залежність показника переломлення від довжини хвилі випромінювання характеризує дисперсію фазових швидкостей поширення світла в речовині (рис. 6).

Нелінійна залежність показника переломлення від величини потужності оптичного випромінювання (квадратична, кубічна) обумовлена властивостями деяких середовищ при високій щільності потужності світлового потоку (10⁷...10⁹ Вт/см²). Така щільність потужності звичайно створюється лазерними джерелами когерентного випромінювання.

Поглинання оптичного випромінювання в матеріалах викликано квантовими переходами між різними молекулярними рівнями речовини. На рис. 7 можна помітити так називаний пік поглинання світла «водою», розташований приблизно на довжині хвилі 1400 нм (фактично на 1383 нм). «Вода» характеризується наявністю домішок у ОВ, однак показаний пік поглинання викликаний фактично наявністю радикалів ОН^–. Результатом цього є високий рівень поглинання навколо 1400 нм. Крім того, у скляних волокнах велику роль відіграють домішки гідроксильних іонів ОН^- перехідних металів Fe, Ni, Cr, V, Cu, що призводять до великої нерівномірності характеристики загасання (рис. 7).

Рисунок 7. Спектральні характеристики загасання ОВ.

Рисунок 8. Нормована характеристика загасання ОМ ОВ G.957 (діапазони А і В для довгих ліній, С і D – середніх і коротких ліній).

Розсіювання оптичного випромінювання може відбуватися на малих неоднорідностях матеріалів, габарити яких порівнянні з довжиною оптичної хвилі, у тому числі на малих вигинах хвилеводів.

Характеристика загасання скловолокна через поглинання та розсіювання має характер «вікон прозорості» з обмеженими діапазонами частот, що рекомендовані для систем передачі. При цьому параметри загасання нормовані для застосування в системах передачі (рис. 8). Для волоконних світловодів з поліпшеними характеристиками, приведеними на рис. 9 (без «водяних піків» і поглинання домішок), визначені оптичні діапазони хвиль передачі (рис. 10).

Рисунок 9. Характеристики поліпшеного ОВ G.652 з усуненням “водяного” піка.

Рисунок 10. Оптичні діапазони поліпшеного ОВ G.652.

3. Структурна схема оптичної системи передачі.

Структурна схема передачі інформації по оптичному кабелю (ОК) наведена на рис. 11. Інформація, яка передана абонентами через передавач, надходить на електрооптичний перетворювач (ЕОП), роль якого виконує лазер або світлодіод. В ЕОП електричний сигнал (ЕС) перетворюється в оптичний (ОС) і направляється в ОК. На приймальній стороні ОС надходить в оптико-електричний перетворювач (ОЕП), у якості якого може використовуватись фотодіод, що перетворює ОС в ЕС. Таким чином, на передавальній стороні від передавача до ЕОП, а також на приймальній стороні від ЕОП до приймача діє ЕС, а від ЕОП до ОЕП по ОК проходить ОС.

Рисунок 11. Структурна схема передачі інформації по оптичному кабелю.

ЕС, який створюється частотним або часовим методом, модулює оптичну несучу, і в модульованому вигляді ОС передається по ОК. В основному використовується спосіб модуляції інтенсивності оптичної несучої, при якому від амплітуди ЕС залежить потужність випромінювання, що передана в ОК. ВОСП, як правило є цифровими (імпульсними). Це обумовлено тим, що передача аналогових сигналів вимагає високого ступеня лінійності проміжних підсилювачів, що важко забезпечити в оптичних системах. Через визначені відстані (5....100 км), що обумовлені енергетичним потенціалом апаратури та величиною втрат в ОК, уздовж ВОЛЗ розташовуються лінійні регенератори (ЛР), у яких сигнал відновлюється та підсилюється до необхідного значення. Крім того, для перетворення коду та узгодження елементів схеми використовуються пристрої кодування - перетворювачі коду (ПК) і пристрої для узгодження (СП). ПК формує необхідну послідовність імпульсів і здійснює узгодження рівнів за потужністю між електричними та оптичними елементами схеми (наприклад, від апаратури ІКМ надходить високий рівень, а для електроперетворювачів необхідний дуже малий рівень). Передавальні та приймальніСП формують і погоджують діаграми спрямованості (діаграма спрямованості - це тілесний кут, у якому діє максимальна інтенсивність випромінювання) і апертурний кут між приймально-передавальними пристроями та ОК. Застосовуються також пристрої вводу/виводу випромінювання, зростки для зрощування ОВ і ОК, спрямовані відгалужувачі, фільтри і т. ін. Цифрові оптичні системи передачі, як правило, забезпечені засобами телеконтролю та телекерування, що дозволяє контролювати роботу всіх компонентів системи передачі і швидко ліквідувати аварійні стани. Електричні (оптичні) секції мультиплексування (регенерації/ретрансляції) визначаються як ділянки системи передачі з окремим контролем і керуванням. Взаємозв’язок секцій, трактів і каналів наведено на рис. 12.

КАНАЛИ	КОМУТОВАНІ	ОРЕНДОВАНІ	ВІРТУАЛЬНІ	КЕРУВАННЯ
ТРАКТИ	НИЖНІЙ ПОРЯДОК
ВЕРХНІЙ ПОРЯДОК
ФІЗИЧНИЙ РІВЕНЬ	СЕКЦІЇ	МУЛЬТИПЛЕКСУВАННЯ	ЕЛЕКТРИЧНА
ОПТИЧНА
РЕГЕНЕРАЦІЇ/РЕТРАНСЛЯЦІЇ	ЕЛЕКТРИЧНА
ОПТИЧНА
ФІЗИЧНІ СЕРЕДОВИЩА: АТМОСФЕРА, ОК

Рисунок 12. Ієрархічна організація оптичної системи передачі.

Дата добавления: 2014-01-20