2 Принцип передачі інформації за допомогою оптичного сигналу

Принцип передачі інформації за допомогою оптичного сигналу полягає в перетворенні електричних сигналів в оптичні, для передачі яких використовуються світловод. У якості його застосовується тонка скляна нитка, циліндричної форми, із круглим поперечним перерізом (рис. 2).

Таке волокно має наступні переваги:

• не потрібний метал,

• волокно виготовляють з дешевого матеріалу (пісок т.е Si₂),

• не піддані зовнішнім перешкодам (можна підвісити на ЛЕП і електрофіковане залізничне полотно),

• широкий спектр (діапазон) світла,

• висока пропускна здатність.

(n₁>n₂) – (1,46>1,43)

Рис. 2.

Оптичне волокно (ОВ) є основним елементом волоконно-оптичного кабелю, призначеного для створення хвильовідного ефекту передачі світла. Цей ефект створюється оболонкою і показником переломлення серцевини. Конструктивно оптичне волокно може бути виготовлене зі східчастим чи градієнтним профілем показника переломлення, що у свою чергу може мати різну структуру. Крім волокон, що мають параболічний профіль ПП серцевини, оптичні волокна можуть мати трикутний чи W-образний профіль ПП.

Серцевина ОВ – це центральна область, через яку передається основна частина оптичної потужності сигналу.

Оболонка – перешкоджає виходу променистої енергії за межі серцевини, створює умови відображення променів на границі роздягнула двох середовищ – серцевина – оболонка.

Захисне покриття накладається суцільним шаром на оболонку ОВ і охороняє поверхню ОВ від ушкоджень, зовнішніх впливів, додає ОВ додаткову міцність (рис. 3).

Матеріалом для серцевини й оболонки служить кварцове скло (плавлений кварц). Очищений від домішок природний кварц (хімічна форма SіО_{2 –} окис кремнію) являє собою аморфну прозору речовину. В очищене від природних засмічувачів кварцове скло додають при необхідності домішки хімічних чи елементів їхнього з'єднання для зміни оптичних властивостей скла необхідним чином.

Оптичні властивості скла оцінюються його щільністю, що впливає на відомий з фізики показник переломлення (ПП), що позначається буквою “n”. Показник переломлення показує в скількох разів швидкість світла в оптично щільному середовищі, який є кварцове скло, менше швидкості світла у вакуумі:

.

де с – швидкість світла у вакуумі, рівна 300 000 км/с, v – швидкість світла в склі, км/с.

Рис. 3.

Оптичне волокно виготовляється таким чином, щоб показники переломлення оболонки і серцевини були різними. Причому, для того, щоб промінь світла не виходив за межі серцевини, необхідно створити умови, при яких показник переломлення серцевини n₁ був більше показника переломлення оболонки n₂: n₁>n₂.

Ці умови можна створити двома способами.

Перший спосіб припускає, що на серцевину, що має ПП n₁ буде накладена оболонка з показником переломлення n₂. Таке ОВ називають східчастим (рис. 2).

Другий спосіб припускає, щоб ПП серцевини, починаючи від її центра, плавно змінювався (зменшувався) у напрямку зовнішнього шару, від значення n₁ до n₂. Далі в зовнішньому шарі ПП залишається постійним на рівні n_2.

Оптичні волокна бувають одномодові і багатомодові, що визначається розміром серцевини стосовно довжини хвилі переданого випромінювання світла.

У конструктивному відношенні вони відрізняються діаметром серцевини. В одномодових ОВ діаметр серцевини порівняємо з довжиною хвилі (2а ) і по ньому передається тільки один тип хвилі (моди). У багатомодових ОВ діаметр серцевини більше довжини хвилі (2а> ) і по ньому поширюється велике число хвиль (мод).

Практично, діаметр серцевини одномодового ОВ дорівнює 6 8 мкм, а багатомодових – 50 мкм. Діаметр оболонки в одномодових і багатомодових ОВ однаковий і дорівнює 125 мкм. Захисні покриття також однакові і рівні 245 мкм.

Для оптичного волокна існує критичний кут уведення променя світла , що жорстко зв'язаний із практичним кутом повного внутрішнього відображення . У свою чергу кут визначається діаметром ОВ, довжиною хвилі світла, показниками переломлення серцевини й оболонки. При уведенні світла (виведені) в ОВ неминучі втрати енергії, що у межах числової апертури залежать від показника переломлення серцевини ОВ і кута введення променів. Існує для хвилеводу критична довжина хвилі λ₀=d при який світлова енергія уздовж хвилеводу поширюватися не може. Таким чином, у світловоді можуть поширюватися лише хвилі, довжина яких менше діаметра серцевини світловода.

При виборі типу ОВ варто мати на увазі наступне.

1. Багатомодові ОВ, у якому поширюються світлові хвилі, довжина яких λ менше діаметра ОВ має кращі показники по передачі світлової енергії, однак у такому ОВ виникає велика дисперсія, що у підсумку обмежує швидкість передачі інформації.

2. В одномодовому ОВ дисперсія не виникає, однак через те, що довжина хвилі λ прагне до діаметра d ОВ, енергетичні співвідношення передачі погіршуються.

Для виготовлення ОВ необхідно одержати надчисте кварцове скло. За основу скловолокна використовується Si₂ (окис кремнію, пісок). При цьому природний кварц не годиться через присутність домішок. Далі одержують тетрахлорид, що є летуча речовина. Ця властивість дозволяє абсорбувати домішки й одержати чистий кремній, що потім окисляють з одночасним виділенням хлору. Додаванням домішки F (фтор), B₂O₃ (бор) зменшують ПП чи збільшує його (Ge₂ чи P₂O₅).

У фотоприймачі для забезпечення перетворення оптичних сигналів в електричні в основному використовуються фотодіод чи фототранзистор. До них пред'являються такі вимоги: чутливість до світла на необхідній довжині хвилі А/Вт, швидкодія, вартість. Однак такі елементи несуть побічні явища: тіньовий струм, шумові властивості, час наростання, нестабільність характеристик, лінійність характеристики.

Вимоги висуваються не тільки до фотоприймачів, але і до джерел випромінювання (ДВ):

1. Світло повинне потрапити у вікно прозорості 850/1, 1300/2 і 1550/3 нм.

2. ДВ повинне керуватися з необхідною частотою.

3. Мінімальні втрати на переході джерело-волокно.

4. Достатня потужність ДВ, однак без внесення пошкодження волокна.

5. Зовнішні умови (температура і т. ін.) не повинні впливати на ДВ.

6. Дешевина виробництва.

7. Довговічність.

Основними типами джерел є світлодіоди (LED) і напівпровідникові лазери (LD). Світлодіоди прості і дешеві – значно ширше поширені. Спочатку, лазери за часом наробітку на відмовлення уступали. Але потім ситуація змінилася, зараз у лазерів це складає до 50000 годин (5-8 років). Частота модуляції визначається при перетинанні рівнів 0,9 і 0,1(тестування) і складає для діодів 200 МГц, для лазерів єдиний. ГГц.

Розвиток досяг рівня, коли вже в області системних чи технологій елементів ВОЛС не відбувається поява принципова нових напрямків, а відбувається подальше удосконалювання відомих підходів:

1. Підвищення швидкості передачі (у лабораторних умовах уже 40Ггц, і далі терагерци.

2. Збільшення дальності передачі (уже 100 км).

3. Упровадження волоконно-оптичних підсилювачів (уже впроваджені).

4. Освоєння четвертого і п'ятого елементів прозорості (вже освоєні – 1575-1650, 1370-1450нм).

5. Розробка нових типів оптичних волокон (уже є спроби):

- с понижуючою хроматичною дисперсією (зі зміщеної "0" дисперсією),

- с великою ефективною площею зсуву,

6. Розробка лазерів 4 і 5-го вікон.

7. Створення комутаційних пристроїв фотонного типу.

8. Удосконалювання методів виміру параметрів (тобто створення вимірювальних приладів).

Вимоги до ФД та ФТ: чутливість до світла на необхідній довжині хвилі А/Вт, швидкодія, вартість.

Побічні явища: тіньовий струм, шумові властивості, час наростання, нестабільність характеристик.

Вимоги до джерел випромінювання (ДВ):

• Світло повинне потрапити у вікно прозорості 850/1, 1300/2 і 1550/3 нм.

• ДВ повинне керуватися з необхідною частотою.

• Мінімальні втрати на переході джерело-волокно.

• Достатня потужність ДВ, однак без внесення пошкодження волокна.

• Зовнішні умови (температура і т.ін.) не повинні впливати на ДВ.

• Дешевина виробництва.

• Довговічність.

Світло - розширення радіочастотного спектра на його високочастотному кінці. Ця концепція безперервного спектра ілюструється рис. 3. Для довжини хвилі звичайно використається позначення . Тому що це довжина, те її основною одиницею виміру є метр. Ми можемо зв'язати частоту в герцах і довжину хвилі в метрах (м), використовуючи традиційну формулу:

м/с (швидкість світла у вакумі). (1)

F в герцах, а  в 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 використають більше 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...1,675 мкм). Його використання обумовлене двома факторами: по шкалі енергій цей діапазон відповідає ширині забороненої зони ряду напівпровідників, тобто кванти такого випромінювання можуть породжуватися й поглинатися з іонізацією лише валентних електронів; цей діапазон відрізняється найбільшою прозорістю в таких середовищах поширення хвиль як скловолокно й повітряна атмосфера. Отже, існує можливість виготовлення ефективних напівпровідникових приладів й узгодження їх із середовищами передачі. Хвилям оптичного випромінювання властиві не тільки хвильові явища (дифракція, інтерференція), але й квантові або корпускулярні.

Рис. 3. Частотний спектр вище 300 МГЦ, де показаний положення робочої області ВОСП.