Министерство РФ по связи и информатизации

ГОУ ВПО Сибирский Государственный Университет

Телекоммуникаций и Информатики Хабаровский филиал

Курс лекций по дисциплине «Волоконно-оптические системы передач»

Учебное пособие

Хабаровск 2010г

УДК 621.316

В. И. Шеремет

Курс лекций по дисциплине «Волоконно-оптические системы передач»

В учебном пособии рассматриваются геометрические и оптические параметры световодов, уделено внимание расчету потерь в соединителях оптических волокон наиболее внедряемых в настоящее время, рассматриваются элементы организации трактов передачи: источники света, приемники излучения, модуляторы оптических колебаний, фотоприемные устройства оптических систем передачи, пассивные компоненты для систем передачи, оптические усилители, спектральное уплотнение.

Кафедра МТС: Рассмотрено и утверждено Советом факультета. Протокол №__ от_____________г.

Рецензент Кудашева Л.В.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение……………………………………………………………………………………7

1 Свет……………………………………………………………………………………….8

1.1 Волны и частицы……………………………………………………………...8

1.2 Отражение и преломление света на границе раздела двух диэлектрических сред………………………………………………………12

1.3 Оптическое волокно…………………………………………………............14

1.4 Классификация волокон……………………………………………..............15

2 Геометрические и оптические параметры волокна…………………………………..18

2.1 Распространение сигналов в ступенчатых оптических волокнах………...22

2.2 Распространение сигналов в градиентных оптических волокнах………...24

2.3 Ослабление сигнала в волоконных световодах…………………………….26

2.4 Дисперсия в оптических волокнах………………………………………….31

2.5 Полоса пропускания оптического волокна…………………………...........37

3 Оптические соединители………………………………………………………………40

3.1 Оптические потери при непосредственном (торцевом) соединении волоконных световодов…………………………………………………….40

3.2 Типы и конструкции оптических соединителей…………………………...44

3.3 Разъемные оптические соединители………………………………..............48

4 Одномодовые оптические волокна……………………………………………………50

4.1 Многомодовые ОВ…………………………………………………………..53

4.2 Стандартное одномодовое ОВ с несмещенной нулевой дисперсией…………………………………………………………………..54

4.3 Одномодовые ОВ со смещенной нулевой дисперсией……………………55

4.4 Одномодовые ОВ с минимизированными потерями………………...……56

4.5 Специализированные одномодовые ОВ с ненулевой смещенной дисперсией……………………………………………………….................57

5 Сведения из оптики…………………………………………………………................63

6 Источники и приемники света………………………………………………………...70

6.1. Источники света……………………………………………………….……72

6.1.1. Светоизлучающие диоды…………………………………………………73

6.1.2. Полупроводниковый лазер……………………………………………….78

6.1.3. Лазеры с двойной гетероструктурой………………………………….…85

6.1.4. Лазеры для одномодовых ОВ…………………………………………….87

6.2. Приемники излучения………………………………………………………89

6.2.1. p-i-n фотодиоды…………………………………………………………...90

6.2.2. Лавинные фотодиоды……………………………………………..………94

6.2.3. Шумы фотодиодов………………………………………………………..97

7 Модуляция оптических колебаний……………………………………………………99

7.1. Виды оптической модуляции………………………………………………99

7.2. Прямая модуляция оптического излучения……………………………...101

7.2.1. Нелинейные искажения при прямой модуляции СИД………………..103

7.2.2. Частотная характеристика прямого модулятора с СИД………………105 7.2.3. Особенности прямой модуляции полупроводникового лазера….……107

7.2.4. Шумы модуляции лазера………………………………………………..110

7.3. Внешняя модуляция оптического излучения……………………………112

7.3.1. Электрооптическая модуляция…………………………………………112

7.3.2. Модулятор Маха – Цендера……………………………………………..116

7.3.3. Акустооптическая модуляция……………………………………..……117

8 Фотоприемные устройства оптических систем передачи………………………….121

8.1. Фотоприемные устройства с прямым детектированием………………..123

8.2. Фотоприемные устройства детектирования с преобразованием……….124

8.3. Усилители фотоприемных устройств. Электрическая и оптическая полосы пропускания………………………………………………………..126

8.3.1. Фотоприемник с интегрирующим усилителем………………………..130 8.3.2. Фотоприемник с трансимпедансным усилителем………………..…….131 8.3.3. Отношение сигнал/помеха на выходе ФПУ…………………………..…133

9 Оптические усилители……………………………………………………………..…135

9.1 Разновидности усилителей EDFA…………………………………………142

9.2 Усилители на кремниевой основе…………………………………………143

9.3 Усилители на фтор-цирконатной основе…………………………………………..144

10 Пассивные оптические компоненты для систем передачи…………………….….146

10.1. Линзы………………………………………………………..….………146

10.2. Оптические аттенюаторы………………………….…………………....147

10.3. Линия задержки……………………………………………………..……148

10.4. Оптические разветвители (ответвители)………………………………..148

10.5. Оптические изоляторы……………………………………………..……151

10.6. Волоконно-оптические циркуляторы……………..……………..…..…153

10.7. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры……….……..….…..154

10.8. Компенсация хроматической дисперсии…………………………….….158

11 Спектральное уплотнение каналов…………………………………………...........161

11.1 Виды WDM систем……………………………………………………..…161

11.2 Стабилизаторы длинны волны……………………………………..…….162

11.3 Мультиплексоры и демультиплексоры…………………………….……164

11.4 Тонкопленочные фильтры…………………………………………..……165

11.5 Волоконные брэгговские решетки…………………………………….…167

12 Методы защиты информации от несанкционированного доступа………...........169

12.1. Физические принципы формирования каналов утечки информации

в волоконно-оптических линиях связи……………………………..…..169

12.1.1. Нарушение полного внутреннего отражения………………………170

12.1.2 Нарушение отношения показателей преломления………………….172

12.1.3. Регистрация рассеянного излучения………………………………..173

12.1.4. Параметрические методы регистрации проходящего излучения…173

12.2. Методы защиты информации, передаваемой по волс…………………175

12.2.1. Физические методы защиты…………………………………………175

12.2.2. Криптографические методы защиты……………………………..…178

Приложение 1……………………………………………………………………...........185

Приложение 2…………………………………………………………………………...194

Список использованных источников…………………………………………………..195

Введение

Современная эпоха характеризуется стремительным прогрессом информатизации общества. Это сильней всего проявляется в росте пропускной способности и гибкости информационных сетей.

Прогресс в области электроники, оптических, квантовых и оптоэлектронных технологий позволяет резко повысить полосу пропускания и быстродействие оконечных устройств систем передачи (соответственно ~100ГГц и 80Гбит/с), а полоса пропускания среды передачи – современных оптических волокон и оптических кабелей на их основе составляет десятки терагерц. Благодаря этому объем передаваемой информации по одному волокну в современных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) возрос до эквивалентной скорости в несколько Тбит/с. При этом дальность передачи без промежуточных пунктов регенерации сигналов увеличилась до нескольких сот километров и в перспективе достигнет тысяч километров.

Широкомасштабное использование волоконно-оптических линий связи началось примерно 30 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы внедрения ВОЛС значительно возросли. По всему миру прокладываются за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по дну океанов, рек, на ЛЭП, в коллекторах. Множество компаний ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий, таких как DWDM, волокон с ненулевой смещенной дисперсией, позволяющих значительно увеличить пропускную способность волоконно-оптических магистралей.

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены вопросы, касающиеся оптических волокон: геометрические и оптические параметры световодов, дана общая картина распространения света по ОВ. В пособии использованы сведения из рекомендации Сектора Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи (МСЭ-Т) по стандартизации одномодовых волокон.

Данное учебное пособие составлено на основе лекций прочитанных в ХИИК ГОУ ВПО «СибГУТИ» по курсу «Волоконно-оптические системы передач».

Преимущества и недостатки использования оптических волокон в системах связи

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Широкая полоса пропускания обусловлена очень высокой несущей Гц. Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медными или любой другой средой информации.

Низкие потери светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ/км на длине волокна 1,55 мкм. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяет строить участки линии без ретрансляции протяженностью более 100км.

Малый уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с небольшой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Так как волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблем перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать земельных петель, которые могут возникнуть, когда два сетевых устройств неизолированной вычислительной сети, связанные кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрывопожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих, взрывоопасных предприятиях.

Экономичность. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенная в природе и является в отличие от меди, недорогим материалом. В настоящее время стоимость оптического волокна и медной пары соотносится как 2:5.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию, это означает, что затухание в проложенном кабеле может возрастать. Однако благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений приемно-передающей аппаратуры.

Удаленное электропитание. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля и используется только для передачи информации. Однако в некоторых случаях требуется подать электропитание на узел информационной волоконно-оптической сети. В этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медными проводниками, морские и трансокеанские линии без дистанционного электропитания построить невозможно.

Волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, к которым в основном относятся дороговизна прецизионного монтажного оборудования, относительно высокая стоимость лазерных источников излучения и требования специальной защиты волокна. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается лаком на основе эпоксиакрилата, а сам кабель упрочняется нитями на основе кевлара, стеклопластиковыми стержнями или стальным тросом. Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительно что, несмотря на недостатки, дальнейшие перспективы развития технологий ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

1 СВЕТ

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии. Электромагнитная энергия – энергия излучения, распространяющаяся в свободном пространстве со скоростью около .

Соотношение между скоростью ( ), длиной волны и частотой выражается .

В электронике принято говорить о частоте сигнала, в то время как в волоконной оптике чаще говорят о длине волны.

Электромагнитное излучение образует непрерывный частотный сектор, простирающийся к радиоволнам, микроволновому излучению, рентгеновским лучам и далее космическое излучение (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1

Свет представляет собой электромагнитное излучение с большой частотой и короткой длиной волны по сравнению с радиоволнами. Видимая область спектра составляет лишь малую часть всего светового диапазона. Она имеет длины волн в диапазоне от 380 нм (~790ТГц) темно-фиолетового до 750нм (~400ТГц) темно-красного. В настоящее время большинство волоконно-оптических систем используют инфракрасный свет с длинами волн между 800нм(375ТГц) и 1600нм (187,5ТГц) поскольку стекло является более прозрачным для инфракрасного излучения, чем для видимого света.