Классификация оптических волокон
Введение
Оптический диапазон:
10-3÷0,38 мкм – ↑ ультрафиолет (УФ);
0,38÷0,78 мкм – видимый свет;
0,78÷1,6 мкм – ближний инфракрасный (ИК) диапазон;
1,6÷10 мкм – средний ИК диапазон;
10÷103 мкм – дальний ИК диапазон.
Волоконно оптические системы (ВОС) находятся в ближнем ИК диапазоне. По сути это инфракрасные системы.
1 мкм → 3∙1014 Гц.
ВОС системы работают на частотах 3∙1014 Гц. При такой частоте длительность импульсов может составлять пикасекунды. Можно передавать большее количество импульсов в единицу времени.
Для передачи света используют диэлектрический волновод. Теоретически предел затухания 0,1 дБ/км. Реально – 0,2 дБ/км.
Классификация ОСП
В настоящее время можно выделить следующие системы передач (СП):
1) Волоконно-оптические СП: в них информация передается по оптическому волокну, которое служит волноводом для оптического сигнала. В настоящее время это основной вид ОСП;
2) Атмосферные оптические СП: в настоящее время они получили определенное развитие и используются в частности в системах подвижной связи. Они используются для передачи информации на небольшие расстояния;
3) Космические оптические СП: Сложно попасть лучом в приемную антенну. Эти системы развиваются.
Достоинства ОСП
1) Основное достоинство ВОСП – громоздкая пропускная способность. По этому параметру волоконные системы вне конкуренции. В настоящее время по волокну можно передавать со скоростью до 80 Гбит/с;
|
|
|
2) Эти системы не подвережены электромагнитным помехам. Взаимное влияние между отдельными волокнами практически отсутствует;
3) Размеры кабеля гораздо меньше;
4) Для производства волокна нет необходимости использовать дефицитную медь;
Недостатки ОСП
1) Компоненты этих СП гораздо дороже электрических. Это относится и к измерительной технике;
2) Необходимы специалисты высокой квалификации;
3) Срок службы оптического кабеля примерно 25 лет.
Атмосферные ОСП выгоднее применять на небольших расстояниях.
Функциональная (структурная) схема ВОСП (точка-точка)
1 – источник информации (цифровая последовательность);
2 – преобразователь кода (преобразует цифровую последовательность в такой вид, что он удобен для передачи по оптическому волокну);
3 – модулятор с полупроводниковым источником излучения;
4 – оптический кабель;
5 – регенератор либо оптический усилитель;
6 – фотодетектор (преобразует оптический сигнал в электрический);
7 – усилитель;
6+7 – фотоприемник;
8 – преобразователь кода;
9 – получатель информации.
Основным элементом системы является оптический кабель, блок 3 и 6, 7. Оптический кабель выполнен из нескольких оптических волокон, по каждому из которых передается своя информация. Оптическое волокно в простейшем случае представляет собой двухслойный диэлектрический цилиндр:
|
|
|
– диэлектрическая постоянная. Всегда 
.
Различают профили показателя преломления в волокне. Профиль показателя преломления ступенчатого волокна:
Свет, который несет информацию по волокну распространяется по сердцевине. Это достигается за счет явления полного отражения.
Закон Снелиуса:
– закон Снелиуса, где .
Если 
, то возникает явление полного отражения. Это полное внутреннее отражение позволяет направлять свет внутри сердцевины. Луч не выходит в оболочку и не теряет своей энергии. Для этого входяший свет должен быть направлен под небольшим углом к оси сердцевины.
;
– числовая апертура волокна.
Если угол 
, то свет идет по сердцевине, если же 
, то свет теряется.
Числовая апертура волокна 
– один из важнейших параметров оптического волокна.
Иногда записывают так 
, где
– среднее между 
и 
;
маленькая величина (порядка 0,1);
;
.
Если 
, то свет будет быстро затухать в начале волокна. Числовая апертура определяет ширину диаграммы направленности волокна, как приемника света. Чем больше , тем проще в волокно ввести световую энергию.
|
|
|
При большой числовой апертуре легче согласовать истоник излучения и волокно. Если источник излучения представляет собой ламбертовский источник, тогда мощность, попадающая в волокно пропорциональна 
.
С точки зрения энергетики, желательно делать большой. Для увеличения при заданном 
и , взять , т. е. не двухслойное, а однослойное волокно. Но такое не делают.
В случае однослойного волокна:
1) большие потери в защитном покрытии;
2) свет быстро затухает;
3) изменение среды влияет на распределение света.
Понятие моды
Особенность распространения по металлическим и диэлектрическим волноводам связана с наличием дискретных типов волн, которые могут быть в заданном волноводе.
, 
– волны в волноводе.
При определенных 
, 
и 
в волноводе может существовать несколько типов волн одновременно – моды. Чем больше и по сравнению с , тем больше может быть типов волн в волноводе.
Эта же закономерность наблюдается в диэлектрическом волноводе.
|
|
|
Число мод: 
,
где – радиус сердцевины;
– длина волны.
Чем больше , тем больше типов мод.
Каждая мода движется со своим 
, по своей траектории. Это приводит к тому, что пройдя некоторое расстояние ( 
), все моды во времени размываются.
С точки зрения сигнала это значит, что если на входе имеем аккуратный импульс 
, то на выходе будет импульс совсем другой длительности за счет растекания мод.
Явление расплывания мод ограничивает скорость передачи. В этом случае желательно чтобы числовая апертура была маленькой. Увеличение длительности светового импульса за счет растекания мод носит название межмодовой дисперсии.
Классификация оптических волокон
По международной классификации все волокна делятся на 2 класса:
1 класс: многомодовые волокна. Число мод может исчисляться сотнями.
2 класс: одномодовые волокна.
Сейчас основными являются одномодовые волокна.
Многомодовые волокна подразделяются на:
1) волокна градиентного типа;
2) ступенчатые волокна.
Аналогичное деление применимо и к одномодовому волокну.
Ступенчатое волокно: у него профиль показателя преломления:
Показатель преломления изменяются скачком.
Бывают более сложные ступенчатые волокна:
Градиентное волокно: у него показатель преломления сердцевины изменяется по определенному закону, в зависимости от расстояния от центра сердцевины.
Показатель преломления меняется плавно
Тоже градиентное волокно.
Типов градиентных волокон много.
Изменение показателя преломления (градиентность) сводится для придания волокну необходимых свойств.
По материалу изготовления:
1) кварц-кварц (и сердцевина и оболочка – кварц). Наибольшее качество, наименьшие потери. Используются в связи;
2) кварц-полимер (потери большие, но оно дешевле);
3) полимер-полимер (сильные потери, в связи непригодны).
Стандартное многомодовое волокно:
Одномодовое:
Волокно покрывается защитным покрытием так, что общий диаметр волокна с покрытием порядка 250 мкм. Покрытие цветное для разных волокон.
В настоящее время диаметр сердцевины приобретает существенное значение. Плотность энергии в сердцевине может быть очень большой (особенно в многоволновых системах). Возможны нелинейные эффекты.
Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 816; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!