Показатели преломления ступенчатого и градиентного волокон

Изменение угла падения.

Принцип передачи информации в волоконно - оптических системах связи.

Услуги, предоставляемые общегосударственной системой автоматизированной телефонной связи.

Общегосударственная система автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС) предназначена для удовлетворения населения и предприятий в передаче сообщений пользователей как в пределах страны, так и при выходе на международную телефонную сеть. ОГСТфС предоставляет два вида услуг: услуги доставки (передачи) информации и специальные. К услугам доставки информации относятся: передача сообщений – речевых, факсимильных, электронной почты, данных. Эти услуги предоставляются техническими службами, использующими физические ресурсы сети. К специальным услугам относят информационно-справочные, заказные и дополнительные. Их предоставляют службы сервиса автоматически или с помощью оператора. К службам сервиса по связи и информатизации относятся, например, такие:

– справочная местной телефонной сети (предоставляет справки о номерах телефонов абонентов местной сети),

– справочная точного времени,

– заказная междугородной телефонной сети МТС (принимает и оформляет заказы на междугородные и международные телефонные переговоры),

– справочная междугородной и международной сети,

– заказная телеграфа (принимает по телефону тексты телеграмм),

– заказная ремонта местной телефонной сети,

– заказная ремонта таксофонов.

Дополнительные услуги (их также называют дополнительными видами обслуживания ДВО) могут предоставляться общесетевыми службами или службой той станции, куда подключена линия абонента, программно-аппаратными средствами станции или сети. К ДВО относятся, например, такие:

– сокращенный набор номера вызываемого абонента,

– передача входящего вызова на другой аппарат (переадресация),

– предоставление возможности получить справку во время разговора с одним из пользователей (с возможностью возврата к прежнему собеседнику без повторного набора его номера),

– конференц-связь трех и более пользователей,

– прямой вызов (соединение без набора номера).

Лекция 16. Оптические среды передачи сигналов.

План:

Значительная часть информации в современном обществе передается с помощью технических средств электрическими и оптическими сигналами в системах связи различного назначения. Это городская и междугородняя телефонная связь, телевизионное и радиовещание, космические системы связи и радиолокации, радиоуправление, радионавигационные и телеметрические системы, телеграф и передача данных и др.

Дальность связи в десятки тысяч километров никого не удивляет, и считается обычным явлением. Темпы развития электросвязи превышают темпы развития других отраслей народного хозяйства.

В данное время в Казахстане проводится реконструкция городских телефонных сетей. Устаревшее оборудование сменяет современная цифровая аппаратура с различными дополнительными телекоммуникационными услугами.

Волоконно-оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартного каналообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизировать существующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рисунка 11.2. На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи.

Рисунок 11.2- Принцип передачи информации в волоконно - оптических системах связи.

Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из ОВ вводится в фотодетектор (ФД). Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод – это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия.

			а
			b

Рисунок 11.5- Конструкция оптического волокна.

Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100 – 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.11.5. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям.

Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

Основной современных систем ВОСП являются - среда распространения- световоды, оптические излучатели - оптические квантовые генераторы света; оптические фотодетекторы, преобразующие кванты света (фотоны) в поток электронов (электрический ток). Все три составляющие ВОСП можно считать квантовыми системами. Состояние квантовых систем характеризуется энергетическими уровнями и описывается выражением

U( ₁₂)B₁₂N₁= A₂₁N₂ + U( ₂₁)B₂₁N₂ (11.1),

где U( ₁₂) и U( _{21 –} плотность энергии излучения на частоте в единичном интервале частот, B_{12 –} вероятность квантового перехода из состояния 1 в состояние 2(1 2), N₁ - кол-во частиц на уровне 1(основной невозбужденный уровень). A₂₁-вероятность спонтанного перехода частиц с уровня 2 на уровень 1, B₂₁-коэффициент стимулированного или вынужденного излучения квантов света (2 1), N₂-количество частиц на уровне 2.

Анализ (1) показывает, что квантовая система может иметь три состояния: 1-состояние, при котором N₁> N_2, тогда U( ₂₁)B₂₁N₂ = 0, то есть система находится в устойчивом состоянии и может только поглощать фотоны; 2-состояние, при котором N₂ N_1, при этом U( ₂₁)B₂₁N₂ = 0, такая система нейтральна по отношению к падающей на неё энергии. 3 - при N₂ > N₁ система становится излучающей. Если в исходной точке излучения система имела мощность P_o, то пройдя расстояние L, мощность излучения уменьшается согласно выражению: P_L = P_oe ^–aL, где а-показатель затухания. Это Закон Бугера. Показатель а = а_п + а_р, где а_п – компонента затухания за счет поглощения, а_р – компонента затухания из-за рассеяния света на неоднородностях. В широком диапазоне длин волн (0,8…1,6 мкм) поглощение 0, за исключением длин волн 1380…1410 нм, можно считать, что затухание света в волокне происходит из-за рассеяния на неоднородностях. В высококачественных световодах существуют неоднородности размер которых много меньше длины волны. Рассеяние на них называется упругим или Рэлеевским рассеянием P = (P_okT/ ⁴) ( ndn/d )² где: k-пост. Больцмана, Т- абсолютная температура, -длина волны излучения, n- показатель преломления среды, - плотность, - сжимаемость вещества. Часть энергии перехватываемая оптическим веществом, определяется из выражения (4): Q = (NA)²/4n₁², где NA- числовая апертура волокна, n₁- показатель преломления сердечника. В ВОСП средой распространения излучения является цилиндрический стержень из кварца. Он состоит из сердечника и оболочки. Показатель преломления сердечника - n₁, оболочки – n_2, при этом n₁>n₂.

Рис.11.3 Лучи в волоконном световоде

В зависимости от 0 (рис.11.3) получаем волны излучения - 1, волны оболочки – 2 и сердечника-3. Если угол падения меньше некоторого критического угла кр, то луч полностью отражается на границе сердечник-оболочка и остается внутри сердечника (луч 3). sin кр= (n1^2- n2^2)^0,5, по закону Снеллиуса. Волны 1 и 2-паразитные волны.

Соотношение NA= n_osin _кр = (n₁²- n₂²)^0,5 называется числовой апертурой оптического волокна (ОВ). n_o-показатель преломления воздуха равный 1.

Рис 11.4. Ход лучей в градиентном световоде: 1 – волка излучения; 2 – волна оболочки; 3 – волна сердечника.   Есть световоды со ступенчатым профилем показателем преломления, есть с градиентным профилем показателя преломления (рис 11.4).

Когда диметр сердечника d 10 , а так же и для d > в оптоволокне (ОВ) распространяется большое количество мод:

М = V²/2, где V = d (n₁²- n₂²)^0,5 / , (11.2)

где d-диаметр сердечника, - длина волны, n₁- показатель преломления сердечника, n₂ - оболочки, V- волновое число. Для d >> количество мод может составлять тысячи. Моды распространяющиеся вблизи оси ОВ называются низшими, вблизи границы раздела сердечник – оболочка – высшими. Низшие моды имеют минимальное время распространения, высшие – максимальное. Максимальная временная задержка _грмакс (1,5…2)(n₁ – n₂)L/c где L – длина волокна, с – скорость света в вакууме. При разности n₁ – n₂ 0,05, _гр 50 нс/км. Разница времени или скоростей распространения мод называется модовой дисперсией. Для улучшения частотных характеристик ОВ модовую дисперсию необходимо уменьшать. Модовая дисперсия существенно меньше у ОВ с градиентным показателем преломления, у него количество мод М = V²/4, в 2 раза меньше, чем в ступенчатом ОВ. Градиентные ОВ имеют частотные характеристики, на порядок лучше, чем ступенчатые многомодовые ОВ.

Для увеличения скорости и объема передаваемой информации были созданы одномодовые ОВ, которые имеют малое затухание энергии с расстоянием. Для обеспечения одномодового режима работы необходимо выполнение условий: V 2,405 и d (n₁²- n₂² )^0,5 = 0,38 Исторически первым был освоен диапазон длин волн 780…860 нм с затуханием до 2 дБ/км. Ему дали название - первое окно прозрачности. Затем было освоено второе окно прозрачности в диапазоне длин волн 1280…1330 нм с затуханием до 0,4 дБ/км, затем освоили третье окно прозрачности в диапозоне 1530…1560 нм с затуханием 0,24 дБ/км. В диапазоне примерно 1370…1410 имеется всплеск затухания до 1,4 дБ/км вызванный гидроксильной группой OH, поглощающей фотоны в этом диапазоне частот. В настоящее время разработаны излучатели и фотоприемники для диапазона 1580…1650 нм, это четвертое окно прозрачности (L - band). Устранение поглощения энергии на длине волны 1400 нм позволяет говорить и о пятом окне прозрачности (5ОП). Затухание в ОВ определяется двумя эффектами: рассеянием и поглощением. Поглощение, это процесс при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют её в тепло, но в современных ОВ этими потерями можно пренебречь. На микроизгибах ОВ профиль границы ядро-оболочка слегка изменяется, и это может привести к затуханию сигнала.

На процессы распространения излучения в одномодовых ОВ существенно влияет температура, что может привести к дополнительным шумам и затуханию. В выражении (11.2) две компоненты зависят от температуры – d и (n₁²- n₂²). Диаметры сердечника и оболочки при изменении Т на 100⁰ С изменятся очень незначительно, так как коэффициент линейного расширения плавленного кварца от температуры равен примерно (2…6)10^-7.

Иная ситуация с разностью показателей преломления. Для современных одномодовых волокон разность показателей преломления сердечника и оболочки n 0,003…0,005 = (3…5)10^-3 . При изменении Т на 100⁰ С, разность может возрасти до n = 0,004…0,006, что соответствует изменениям числовой апертуры волокна соответственно с 0,055…0,071 до 0,063…0,078. Такое изменение n может привести к возбуждению ещё одной или нескольких мод и тогда энергия основной моды перейдет к этим новым модам, а это приведёт к потерям интенсивности сигнала.

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода Если неравенство (11.3) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

где λ - длина волны передаваемого излучения; n1 и n2 – показатели преломления материалов световода.

Рисунок 11.6- Показатели преломления ступенчатого и градиентного волокон

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рисунок 11.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод

является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом

режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность. Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне, волокно например на длине волны 1.55 мкм затухание 0.154 дБ/км.

В оптических лабораториях разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с. На сегодняшний день для городской телефонной сети промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре и восемь волокон.

Рис. 11.7

Конструкция ОК-8 приведена на рисунке 1.7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон – повивная, концентрическая. В центре – силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи – полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

· Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи дорогостоящее.

· Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

· Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Основная литература: 1осн[59-80, 638-655],

Дополнительная литература: 7доп[24-40], 9доп[7-9], 10доп[7-14;]

Контрольные вопросы

1. Что такое окна прозрачности в ОВ?

2. Каким образом температура влияет на затухание сигнала в ОВ?

3. Какие моды называются низшими модами, какие высшими?

4. Какие типы волн могут возникать при изменении угла падения?

5. Какие профили показателя преломления могут иметь световоды (укажите два вида)?

Лекция 17. Оптические среды передачи сигналов. Эталонная модель взаимосвязи открытых систем.

План:

Дата добавления: 2014-11-08