Лекція 3 Передача енергії по світловодам

Перспективність оптичних систем передачі інформації обумовлена можливістю передачі величезної кількості інформації на великі відстані при малих витратах енергії. Оптичний зв'язок базується на застосуванні квантових генераторів світла (лазерів).

Принцип дії лазера можна пояснити наступним чином. Активну речовину, що складається з атомів, назвемо квантовою системою. У відсутності зовнішніх впливів квантова система знаходиться в стаціонарному стані з енергією . При впливі на систему (наприклад електромагнітним випромінюванням) вона переходить на більш високий енергетичний рівень з енергією , поглинаючи кванти випромінювання із імовірністю . Значення енергій , ... дискретні та визначаються активною речовиною.

З більш високого рівня система може повернутися на вихідний або спонтанно, або вимушено (з імовірністю =). Спонтанний перехід визначається коефіцієнтом . В стані рівноваги число актів поглинання та випромінювання атомами в секунду квантів рівні.

Тобто:

N_nB_mnσ_mn - вимушена частка, N_nA_mn - спонтанна частка

- число атомів на рівнях m, n; - об’ємна густина енергії випромінювання з частотою .

Якщо , тоді можливо перевести систему у стан з (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Розподіл енергії в активному середовищі лазера

При впливі на систему з інверсним розподілом зовнішнього поля чи спонтанного випромінювання сусідніх атомів можливо отримати індуковане випромінювання більшого числа атомів за менший час.

Побудова лазера

У 1954 р. Басов та Прохоров та незалежно від них Таунс використали явище індукованого випромінювання для створення генератора радіохвиль з . За розробку нового принципу генерації та підсилення радіохвиль Басову та Прохорову у 1959 р. присуджена Ленінська, а у 1963 р. (і Таунсу) Нобелівська премії. У 1960 р. у США створений Лазер-квантовий генератор електромагнітних хвиль у видимому діапазоні.

Рисунок 3.2 Схема побудови лазера

Лазер – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (підсилення світла за допомогою індукованого випромінювання).

Порівняймо звичайне світло та радіохвилі. Основна різниця між єлектромагнітними збурюваннями, які створюються електронами, що коливаються в передавальній антені радіостанції, та випромінюванням звичайних джерел світла складається в тому, що випромінювання світла не є єдиним та неперервним процесом, тому що світло створюється в результаті накладання багатьох поодиноких випромінювальних актів. Замість однієї антени при випромінюванні радіохвиль у випадку світла мається велика кількість атомарних антен, кожна з яких випромінює незалежно.

Узгоджене випромінювання в атомах, що випромінюють світло, досягається у лазері. Високу інтенсивність пучка світла, що виходить з лазера, вдається отримати тільки при багатократному проходженні пучка через активне середовище. Для цього активне середовище поміщується між двома дзеркалами. Ці дзеркала відбирають лише гостро направлені промені. Процес багатократного проходження світла між дзеркалами еквівалентний віддаленню на дуже велику відстань того першого атома, який вдало випустив промінь підходящої довжини хвилі та напрямку. За допомогою цих же дзеркал досягається висока монохроматичність, тому що відстань між дзеркалами строго фіксована і в ній вкладається певне число півхвиль, що відповідають робочій частоті. Система з двох дзеркал є резонатором, який налаштовується на довжину хвилі квантового переходу в активному середовищі. Промені світла пронизують цей резонатор велику кількість разів і після кожного нового проходження відбір певної довжини хвилі відбувається гостріше. Таким чином лазер – пристрій, що дозволяє отримати пучок світла з високим степенем просторової та часової когерентності.

З появою лазерів виникла задача розробки оптичного зв'язку. Першим етапом цієї роботи були питання прийому-передачі та розповсюдження оптичного сигналу в атмосфері. Передача по повітрю не задовольняє жорстким вимогам зв'язківців.

Важливою характеристикою ліній зв'язку є коефіцієнт готовності:

Це відношення часу безвідмовної роботи до загального часу (безвідмовна робота + час відновлення). Коефіцієнт готовності оптичної повітряної лінії зв'язку сильно залежить від погодних умов та складає 92 - 95 %, а це недостатньо. Реальні лінії зв'язку великої довжини мають »0,99. Таким чином виникла задача вибору лінії (направляючої системи) для передачі оптичних сигналів.

Відомі у теперішній час світловоди можна поділити на групи наступним чином

Рисунок 3.3 Класифікація світловодів

Дата добавления: 2014-01-11