Комплекс лабораторных работ

ПРИБОРЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ (ВОЛС)

Цель работ:

- изучение элементной базы ВОЛС - характеристик светодиодов и фотоприемников;

- изучение физических процессов, происходящих в волоконно-оптической линии связи.

1. Введение в курс приборы ВОЛС.

Основными достоинствами оптоволокна, как среды для передачи информации, являются:

1. Широкая полоса частот (до 10¹⁴ Гц) и низкое затухание света в волокне (~ 0,1-0,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотни километров без регенерации сигнала).

2. Кварцевое стекло, из чего производится оптическое волокно, как среда передачи света нечувствительно к электромагнитным полям. Поэтому волокно можно прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации.

3. Оптическое волокно  пожаро-взрыво-безопасно, в волоконно-оптических сетях обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием.

4. Оптическое волокно, как канал связи, имеет высокую степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации.

5. Волоконно-оптические линии имеют значительно меньшие объем и массу в расчете на единицу передаваемой информации, чем любые другие; исходным сырьем для изготовления волокна является кремний, запасы которого на земле практически неограниченны.

6. Долговечность, средний срок службы 25 лет.

7. Эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм); Стеклянный стержень !

8. Механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кГ);

9. Высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде. 

ВОЛС характеризуются :

– полосой пропускания тракта, определяющая объем информации, которая может быть передана по нему;

– отношение мощности сигнала к мощности шума (С/Ш) на выходе фотоприёмника.

Оптимальные значения этих показателей обеспечиваются только при рациональном выборе всех составляющих ВОЛС к которым относят: источник излучения, приёмник излучения, оптические волокна и стыковочные элементы оптического тракта, объединяющие все названные составляющие в единую систему.

Каждая из составляющих ВОЛС имеет целый ряд собственных качественных показателей.

Все ВОЛС можно разбить на два класса: аналоговые и цифровые. Аналоговые линии имеют жёсткие ограничения по линейности характеристики их тракта. Обычно они используются при создании сетей кабельного телевидения. Полоса их пропускания должна обеспечивать возможность одновременной передачи десятков телевизионных каналов, а необходимое отношение сигнал-шум (С/Ш) – порядка 55дБ.

Для цифровых линий связи, которые наиболее широко используются на практике, величина отношения С/Ш может быть существенно меньше и составляет примерно 23дБ.

В качестве источников света цифровых линий связи, в силу малых габаритов, используются полупроводниковые излучатели. В полупроводниковых излучателях модуляция осуществляется за счёт изменения тока накачки. При этом в соответствии с модулирующим сигналом меняется оптическая мощность, т.е. осуществляется модуляция интенсивности. В аналоговых системах передачи это приводит к появлению существенных нелинейных искажений за счёт того, что ватт-амперная характеристика источника, как правило, существенно нелинейная. Для их уменьшения приходится снижать глубину модуляции оптической несущей, что соответствует неэффективному расходованию оптической мощности, созданной источником.

2. ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ

Оптические световоды бывают двух типов – волоконные и планарные (плоские). Планарные световоды – тонкие узкие прозрачные полоски на пластинах из ниобата лития, арсенида галлия и других материалов. Протяженность таких световодов – доли сантиметра, они выполняют главным образом роль межсоединений в оптических и оптоэлектронных микросхемах.

Волоконные световоды представляют собой тонкие цилиндрические нити, изготовленные из материала, прозрачного для применяемого излучения. Волоконные световоды служат волноводами в линиях связи протяженностью от сантиметров до сотен и тысяч километров.

Рис. 1 – Изменение показателя преломления по поперечному сечению и ход лучей в ступенчатом (а) и градиентном (б) световодах.

Структура волокна может быть ступенчатой или градиентной (рис. 1). В волокне показатель преломления сердцевины n₁ должен быть выше показателя преломления оболочки n₂ . Тогда луч света в материале сердцевины удерживается за счет явления полного внутреннего отражения. В ступенчатом волоконном световоде показатель преломления на границе сердцевина – оболочка изменяется скачком. В градиентных световодах профиль изменения показателя преломления близок к параболическому:

					(1)
	где
			– радиус сердцевины – ядра оптического волокна - световода;
			– расстояние от оси волокна.

Лучи, распространяющиеся в сердцевине под углами по отношению к его оси (рисунок 1, а), будут испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина – оболочка, где

– (2)

угол полного внутреннего отражения.

Каждому значению  соответствует свое значение угла падения луча на торец световода. Угол _А, при котором луч еще будет распространяться в сердцевине световода под углом _кр, называется апертурным углом световода. Его значение можно указывать в градусах, но чаще всего его характеризуют величиной числовой апертуры:

NA = n₀sin_А, (3)

где n₀ – показатель преломления среды, из которой падает луч на торец световода. Если световод окружен воздухом, то n₀ =1 и NA = sin_А .

Можно показать, что для ступенчатого световода

NA = (4)

Числовая апертура градиентного волокна зависит от точки входа луча в световод. Она максимальна, если эта точка лежит на оси и равна:

NA =

где n_мах – значение показателя преломления на оси.

Для ступенчатых волоконных световодов числовая апертура обычно равна 0,18 – 0,23, а для градиентных – 0,13 – 0,18.

Основные свойства ступенчатых и градиентных оптических световодов можно понять исходя уже из соображений геометрической оптики и представления траектория лучей прямолинейными или криволинейными отрезками. Строгий же анализ распространения излучения по волноводу осуществляется исходя из уравнений Максвелла. На основе такого анализа можно показать, что по одному световоду одновременно может распространяться только определенный дискретный набор электромагнитных волн – мод. Мода(тип волны) определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами n и m (Е_nm и H_nm). Индекс n обозначает число полных изменений поля по окружности световода, индекс m – число изменений поля по диаметру. В волновом фронте каждой моды колебания имеют одинаковую фазу. Волны, соответствующие лучам, траектории которых образуют малые углы с осью световода, называются модами низких порядков, а большие углы – модами высоких порядков. Основная мода распространяется почти точно вдоль оси световода. Эти моды имеют различную групповую скорость, поэтому, возбуждаясь одновременно на входе, они разделяются при распространении в световоде, так что на выходе между ними образуется временной сдвиг (дисперсия мод). Следовательно, при распространении короткого импульса в ступенчатом многомодовом световоде ширина его возрастает. На практике при распространении света в волокне из-за изгибов и микронеоднородностей между модами возникает взаимодействие, происходит обмен энергией между медленной и быстрой модами, и временной сдвиг между модами несколько уменьшается.

В многомодовом ступенчатом световоде имеется связь между шириной полосы пропускания ΔF и протяженностью распространения излучения L:

ΔFL (5)

где с – скорость света;

 – параметр, отражающий степень связи между модами.

Если связь между модами отсутствует, то  = 1, при полной связи  = При  = 1, n₁1,5 и ∆=1% полоса пропускания многомодового ступенчатого световода будет ΔFL 20МГц/км.

Существенно большая полоса пропускания оказывается у градиентного световода. В нём моды низшего порядка распространяются по короткому пути, но в области с большим показателем преломления. А это уменьшает групповую скорость. Моды высшего порядка распространяются криволинейно по большому пути (в соответствии с рисунком 1, б), но в периферийной области, где показатель преломления имеет меньшее значение. Поэтому их групповая скорость будет выше. В итоге, групповые скорости различных мод примерно одинаковы и временное расширение светового импульса в градиентном световоде невелико, полоса пропускания его существенно выше. При оптимальном параболическом распределении показателя преломления сердцевины для градиентного волокна справедливо:

ΔFL (6)

При n₁=1,5, ∆=1% получаем ΔFL = 4ГГц/км, что на два порядка больше, чем в многомодовом ступенчатом световоде. То есть градиентные световоды можно применять для передачи широкополосного сигнала на достаточно большие расстояния.

Число мод N в световоде всегда конечно и может быть рассчитано. Для ступенчатого световода:

N =

(7)

Для градиентного световода при n_мах= n₁ число мод будет в два раза меньше.

В многомодовых световодах по их сердцевине , могут распространяться сотни и тысячи мод.

Чтобы в световоде рапространялась только одна мода/волна надо чтобы :

(8)

Такой волоконный световод называется одномодовым.

У многомодовых световодов 12,5мкм < α < 100мкм; 0,01 < ∆ < 0,03;

а у одномодовых световодов 2мкм < α < 5мкм; 0,003 < ∆ < 0,01.

По существующему международному стандарту для средств связи принято, что диаметр световода вместе с оптической оболочкой должен быть равен 125мкм, диаметр сердцевины – ядра многомодового и градиентного волокна 2 α =50мкм, одномодового волокна – 2 α 8–10мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO₂) с n = 1,45, а сердцевина из кварцевого стекла с добавками GeO₂ и P₂O₅ и имеет показатель преломления на 1% выше в многомодовых волокнах и на 0,3% выше – в одномодовых.

В одномодовом волокне распространяется только одна мода, и поэтому дисперсия мод не проявляется. Однако при этом остаётся спектральная дисперсия материала световода (рис. 2) – зависимость показателя преломления кварца от длины волны, и дисперсия конструкции волновода (волноводная дисперсия), что приводит к разложению света. Последняя обусловлена тем, что основные моды для различных длин волн по разному спадают по интенсивности в оболочке. Соответственно эффективные показатели преломления для них оказываются несколько отличными. Спектральная и волноводная дисперсия присутствует и в многомодовых световодах, но модовая дисперсия намного превышает их. Поэтому именно она определяет ширину полосы многомодовых световодов. В одномодовом же световоде ширина полосы определяется спектральной дисперсией материала, т.к. она намного превышает волноводную дисперсию.

Рис. 2. Спектральные характеристики потерь (сплошная линия) и модуль дисперсии (пунктирная линия) в кварцевом волоконном световоде

Из рис. 2 видно, что на λ  1,3мкм дисперсия материала почти равна нулю. Понятно, что это позволяет получить очень широкую полосу пропускания. Потери на поглощение здесь также сравнительно невелики. Минимальные потери (0,2дБ/км или 5% на 1км) наблюдаются в тщательно очищенном кварцевом волокне на λ  1,55мкм, но дисперсия кварца при этом отлична от нуля. Уширение импульса здесь будет определяться шириной спектра излучения источника. Поэтому, используя полупроводниковый лазер с хорошей монохроматичностью, на этой длине волны можно обеспечить связь на большие расстояния и с высокой пропускной способностью. В настоящее время для одномодовых волокон типичные ΔFL (λ  1,3мкм) = 1000ГГц/км; ΔFL (λ  1,55мкм) = 200ГГц/км.