Особенности оптических систем связи.

Историческая справка об оптической связи

Оптические методы передачи информации существовали с незапамятных времен. Первобытный человек использовал для этих целей ночью зажженные факелы или костры, а днем — сигнальные дымы. Такие способы были хорошо известны в Древнем Китае, у ассирийцев, в Египте, начиная с первых цивилизаций. Согласно преданию, в 1084 г. до н.э. Агамемнон, предводитель ахейского войска, с помощью девяти эстафет из огней на холмах передал своей жене весть о взятии Трои и о своем скором возвращении. Длина этой «оптической линии связи» составила 800 км и была превзойдена лишь в наше время, спустя почти 3000 лет. Правда, использована эта информация была весьма своеобразно: в день возвращения из-под Трои в Аргос Агамемнон был убит своей любимой женой Клитемнестрой и её любовником Эгистом. Справедливость всё же восторжествовала: Орест, сын Агамемнона и Клитемнестры, возмужав, отомстил за смерть отца.

Оптика является одной из древнейших наук. В освоении оптического излучения можно выделить два исторических этапа. 11ервый связан в основном с изучением наблюдаемого непосредственно глазом видимого света и соответствует развитию классической оптики. Эволюция взглядов на природу света иллюстрирует диалектический характер познания. Великие мыслители древности считали, что световые лучи исходят из глаз (Платон).

Нa основе учения о зрительных лучах, исходящих из глаз, Эвклид, Птолемей и другие мыслители древности создали теорию отражения света от плоских и сферических зеркал, ими было положено начало развития геометрической оптики. Теории зрительных лучей в древности противопоставлялась еще более фантастическая теория Эпикура и Лукреция о «слепках» с предметов, светящихся во всех направлениях и попадающих в глаз. Затем появилась корпускулярная концепция, или теория истечения, поддерживаемая вначале Декартом, а затем Ньютоном. Согласно этой теории свет представляет совокупность мельчайших частиц — корпускул, движущихся по определенной траектории

световому лучу. Эта теория наглядно и естественно объясняла in кие явления, как прямолинейность распространения света в однородных средах, отражение света от поверхности зеркал, преломление светового луча на границе двух сред, а также его искривление при распространении в неоднородных средах. Одновременно X. Гюйгенсом была предложена интерпретация тех же явлений на основе понятий «световая волна» и «волновая поверхность», согласно которым свет представляет волны, распространяющиеся в пространстве. Лучи света являются чисто абстрактным понятием и определяются как кривые, ортогональные пол новым поверхностям.

Главным доводом Ньютона против волновой теории было отсутствие вещественной среды («эфира») в мировом пространстве. Явления, связанные с периодичностью (кольца Ньютона), it корпускулярной теории объяснялись тем, что частицы враща-ются. Пространство, пробегаемое такой частицей за один оборот, сопоставлялось с некоей «длиной волны». Полярность (в • о и ременной терминологии поляризацию) Ньютон считал свой-с i ном только твердых частиц. Огибание (дифракцию) он пытался истолковать «отталкивательным» и «притягательным» действием вещества на световые корпускулы. Вслед за Ньютоном и XVIII в. большинство ученых стали склоняться к корпускулярной теории, и у волновой теории, блестяще развитой Гюйгенсом, < охранялось лишь немного последователей.

Только на рубеже XVIII —XIX веков англичанином Томасом Юнгом были начаты серьезные исследования интерференции и дифракции, а французом Огюстеном Френелем дано их полное теоретическое объяснение на основе волновой теории Гюйгенса. Кроме того, Френель показал, что представления о волновой природе не противоречат факту прямолинейности распространения света в однородной среде. Точностью своих предсказаний волновая теория в первой половине XIX в. победила теорию истечения. К концу XIX в. Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал, что всякая световая волна является электромагнитным возмущением особого рода. Опыты Г. Герца и А. С. Попова экспериментально подтвердили это.

Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных уравнений Максвелла, явилась вершиной первого «классического» этапа развития оптики и наших представлений о природе света.

Второй этап развития оптики тесно связан с революционными открытиями в физике в начале XX в. Характерно, что именно изучение оптических спектров поглощения и испускания привело к необходимости введения понятий о квантовых скачках и кванте действия h как минимальном действии, которые ввел в 1900 г. М. Планк для объяснения спектра излучения черного тела. Впоследствии постоянная h , имеющая размерность «действия» [Дж*с], была названа постоянной Планка. В 1905 г. А. Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, предположив, что планковские кванты энергии E = hv существуют в виде реальных частиц, названных им световыми квантами. Таким образом, Эйнштейну удалось объяснить открытый ранее фотоэффект.

Фундаментальную роль для последующего развития квантовой электроники сыграла работа А. Эйнштейна (1917 г.), в которой он, рассмотрев термодинамическое равновесие системы молекул, ввел понятие индуцированного излучения. На возможность использования индуцированного излучения для наблюдения отрицательного поглощения (усиления) впервые указал в 1940 г. В. А. Фабрикант.

В конце 1954 г. независимо и почти одновременно в лаборатории колебаний Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве под руководством А. М. Прохорова был разработан конкретный проект, а в лаборатории излучений физического факультета Колумбийского университета в Нью-Йорке под руководством Ч. Таунеа был создан действующий мазер на пучке моле кул аммиака. Это был цервый прибор, работавший на квантовых принципах, в основе которого лежало явление усиления электромагнитных колебаний с помощью индуцированного излучения. За эти работы Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была присуждена Ленинская премия, а затем совместно с американским физиком Ч. Таунсом — Нобелевская премия. Таким образом, 1954 год может быть назван годом рождения квантовой электроники как самостоятельной науки.

Методы, развитые первоначально для радиодиапазона (первый аммиачный мазер работал на длине волны 1,25 см), затем были перенесены в оптический диапазон, и в 1960 г. был создан рубиновый лазер, а в 1961 г.— газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. Наука и техника впервые получили когерентный источник световых волн. Это дало толчок развитию таких новых областей науки, как нелинейная оптика, голография. Основополагающие работы по голографии были выполнены Д. Габо-ром и Ю. Н. Денисюком.

Параллельно с развитием квантовой электроники быстрыми темпами развивалась физика полупроводников и полупроводниковая электроника. Успехи в этих областях привели к созданию эффективных полупроводниковых фотоприемников и генераторов света — приборов, составляющих основу полупроводниковой оптоэлектроники. Назовем главные вехи в развитии данной отрасли. В 1873 г. В. Смит обнаружил в слоях селена фотопроводимость — изменение сопротивления под действием освещения, открыв тем самым внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект был открыт в 1888 г. А. Г. Столетовым. В 1923 г. О. В. Лосев наблюдал свечение кристаллов карборунда (карбида кремния) под действием электрического тока и дал правильное объяснение этому явлению, которое легло в основу действия современных электролюминесцентных источников света. В 1960 г. в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в Москве был рассмотрен принцип работы полупроводникового инжекционного лазера, а в 1962 г. в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе в Ленинграде было обнаружено эффективное рекомбинационное излучение и наблюдалось вынужденное излучение в кристаллах арсенида галлия. Параллельно в Физико-техническом институте Ж. И. Алферовым с сотрудниками успешно проводились работы по получению гетеропереходов и созданию на их базе эффективных приемников и источников света. В 1968 —1970 гг. ими были созданы низкопороговые полупроводниковые лазеры, в том числе работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. За эти работы акад. Ж. И. Алферову в 2000 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. Применение квантово-размерных слоев и сверхрешеток позволило создать полупроводниковые лазеры с характеристиками, близкими к теоретическому пределу. Важным моментом в развитии

оптической электроники явилось получение оптических волокон с низкими потерями (< 1 дБ/км), что обеспечило возможность их применения в качестве эффективных оптических волноводов. Разработка эффективных полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме, и создание оптических волокон с малыми потерями привели к рождению и быстрому развитию новой системы передачи информации через волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), общая протяженность которых составляет миллионы километров. Разрабатываются оптические волокна с потерями до 0,005 дБ/км. Отчетливо просматриваются тенденции к увеличению скорости передачи информации, которая в современных ВОЛС уже достигает 2,4 Гбит/с (до 10 Гбит/с). В лабораторных условиях продемонстрирована возможность передачи оптической информации на скоростях 1000 Гбит/с. Это требует новых подходов в электронике. Методами интегральной оптики создаются оптические аналоги электронных схем, работающие на частотах до 10¹² Гц. Интенсивно ведутся работы по созданию устройств оптической памяти. В настоящее время стоит вопрос о разработке оптических вычислительных машин, работающих на новых принципах. Но это лишь начало. По мнению большинства специалистов, оптическая электроника будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня.

Особенности оптических систем связи.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Технические особенности.

Достоинства

1. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.

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.

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. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

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.

Недостатки

1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. 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 очень дорогостоящее.

2. для монтажа оптических волокон требуется дорогое, технологическое оборудование.

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

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.

Оптическое волокно

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. 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.

Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно

материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны

волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1.3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

Волоконно-оптический кабель

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

· монтажные

· станционные

· зоновые

· магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

· конструкции со свободным перемещением элементов

· конструкции с жесткой связью между элементами

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос.

Оболочка кабеля

Чаще всего материалом, который используется для изготовления наружной оболочки волоконно-оптических кабелей, является полиэтилен. Он обладает и отличными физическими параметрами (большая прочность, хорошая износостойкость, неподверженность ультрафиолетовому излучению, окислению и другим химическим воздействиям), и хорошими диэлектрическими свойствами.

Оболочки волоконного кабеля различаются по плотности используемого полиэтилена. Самым прочным материалом является полиэтилен высокой плотности - HDPE (High Density Polyethylene).. Меньшую стоимость имеет полиэтилен средней плотности - MDPE (Medium Density Polyethylene).

Менее прочным является полиэтилен низкой плотности - LDPE (Low Density Polyethylene

Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 63; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!