Контрольная работа основы оптической связи

1. Основы физической и квантовой оптики

1. Использование диапазона (0,4-1,8мкм) обусловлено 2 факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещенной зоны ряда полупроводников и еще он отличается наибольшей прозрачностью в стекловолокне, т.е. потери сигнала будут минимальны.

2. Е_ф=hc/λ; где h- постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, λ – длина волны.

3. Геометрическая оптика основана на законах: закон прямолинейного распространения света; закон независимости световых пучков; закон отражения; закон преломления.

4. – показатель среды зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости.

5. Световая волна называется линейно поляризованной или поляризованной если электрический вектор Е всё время лежит в одной плоскости в которой расположена нормаль к фронту волны. Эта плоскость называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации.

6. Интерференция волн - такое наложение волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

Необходимые условия для наблюдения интерференции:

1) волны должны иметь одинаковые (или близкие) частоты, чтобы картина, получающаяся в результате наложения волн, не менялась во времени (или менялась не очень быстро, что бы её можно было успеть зарегистрировать);

2) волны должны быть однонаправленными (или иметь близкое направление); две перпендикулярные волны никогда не дадут интерференции (попробуйте сложить две перпендикулярные синусоиды!). Иными словами, складываемые волны должны иметь одинаковые волновые векторы (или близконаправленные).

1.7 Интерферометр — измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков.

8. Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракции света. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

9. Условие Брэгга- Вульфа определяет направление максимумов дифракции упруго рассеянного на кристалле рентгеновского излучения. Имеет вид:

;

где d — межплоскостное расстояние, θ — угол скольжения (брэгговский угол), n — порядок дифракционного максимума, λ — длина волны.

1.10 В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости. В этом случае шириной запрещённой зоны (см. рисунок) называется разность энергий между дном (нижним уровнем) зоны проводимости и потолком (верхним уровнем) валентной зоны.

1.11 GaAs - материал с шириной запрещенной зоны соответствующей, диапазонам прозрачности стекловолокна и высокой квантовой эффективностью для источников излучения. При этом предпочтение отдается материалам пригодным для массового изготовления приборов и безопасных при работе с ними. Некоторые электронные свойства GaAs превосходят свойства кремния. Арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, которая позволяет приборам работать на частотах до 250 ГГц.

1.12 По скорости протекания процессов перехода электронов из одних состояний в другие материалы условно подразделяют на прямозонные и непрямозонные. Это принципиальное разделение материалов на два класса обусловлено тем, что в прямозонных материалах процессы перехода электронов проходят с минимальной задержкой и имеют высокую квантовую эффективность т.е выделение или поглощение квантов энергии, а в непрямозонных материалах эти процессы заторможены или вообще не происходят.

1.13 При прямом смещении – работает излучателем, при обратном – приемником излучения.

1.14 Основные типы отражательных решеток: плоские отражательные и прозрачные; решетки-эшелле; вогнутые, в т.ч. с компенсированными аберрациями; для молекулярных и газовых лазеров; измерительные.

1.15

Структурная схема ВОСП

1.16 Оптические конвертеры обеспечивают преобразование электрического сигнала из витой пары и тонкого коаксиального кабеля в оптический сигнал, идущий по многомодовому или одномодовому волокну. Конвертер, в отличие от трансивера, должен иметь свой отдельный блок питания.

2. Физические среды оптической связи и их характеристики

2.1 Волоконно-оптическая система передачи – система передачи, в которой все сигналы передаются по оптическому кабелю.

2. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

3. Стекловолокно имеет следующие характеристики:

- плотность (10³кг м^-3), модуль растяжения (ГПа), предел прочности при растяжении (ГПа)

2. Потери оптической мощности связаны с поглощением энергии в материале и с рассеянием на неоднородностях.

3. Световоды стандарта G.652 – диапазоны А и В предназначены для длинных линий, С и D – для коротких линий.

2. S – коротковолновый диапазон -1460-1530нм.

3. Основной причиной возникновения дисперсии в волокне является некогерентность источника излучения (лазера). Идеальный источник всю мощность излучает на заданной длине волны λ₀ , однако реально излучение идёт в спектре λ₀ ± Δλ (рис.2.1), так как не все возбуждённые электроны возвращаются в то же состояние , из которого они были выведены при накачке.

4. Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF  оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала.  SMF - волокно, у которого λ₀ смещена в окно 1,31 мкм. Однако, применение SMF для ВОЛП с высокой пропускной способностью (≥10 Гб/с для одноканальных и ≥40 Гб/с для многоканальных ВОЛП) практически не представляется возможным из-за резкого снижения длины участка регенерации.

5. межмодовая дисперсия t мм; волноводная дисперсия τ в ; материальная дисперсия τ м; сумма волноводной и материальной дисперсии образует хроматическую дисперсию τ_Хр.

6. Поляризационная модовая дисперсия – ПМД . В классическом  одномодовом волокне единственной модой является волна НЕ₁₁. Однако если учитывать поляризацию, то в волокне присутствуют две взаимно ортогональные моды, соответствующие горизонтальной и вертикальной осям x и y. В реальной ситуации волокно не является в сечении всегда идеальным кругом, а часто представляет в силу тех или иных особенностей технологии небольшой эллипс. Кроме того, при намотке кабеля и при его прокладке возникают не симметричные механические напряжения и деформации волокна, что приводит к двойному лучепреломлению. Коэффициент преломления вследствие дополнительного напряжения будет изменяться, и скорости распространения ортогональных мод на различных участках будут отличаться друг от друга, что будет вносить разные временные задержки при распространении ортогональных мод. Импульс в целом будет испытывать статистическое уширение во времени, которое называется поляризационной модовой дисперсией (ПМД). Так как ПМД на разных участках линии различна и подчиняется статистическим закономерностям, то обычно используется среднеквадратичное суммирование, и расчёт ПМД производится по формуле

                                        τ_пмд = D    (2.4).

ПМД имеет небольшую величину и проявляется, если увеличиваются длина линии, скорость передачи в канале (когда битовый интервал уменьшается),  и число волн в окне прозрачности (сверхплотные WDM).

2. ПМД учитывается при длине линии свыше 25 км.

3. Нелинейно-оптические эффекты имеют уже устоявшуюся классификацию и достаточно хорошо изучены:

фазовая самомодуляция и фазовая кроссовая модуляция ФСМ ФКМ; вынужденное комбинационное или рамановское рассеяние ВКР; вынужденное рассеяние Мандельштамма-Брюэллена ВРМБ; четырехфотонное или четырёхволновое смешивание ЧВС.

2.14 Распространение оптического излучения в атмосфересопровождается двумя существенными для оптической линии связи процессами флуктуациями принимаемого сигнала из-за рефракции излучения на турбулентных неоднородностях воздуха и аэрозольными рассеянием и поглощением на частицах дождя тумана снега промышленных выбросах пыли. Кроме того, поглощение излучения в атмосфере зависит от длины волны и эта зависимость имеет характер окон прозрачности. Поглощение света атмосферой зависит и от содержания в ней водяных паров и углекислого газа вдоль пути распространения световой волны концентрация которых в свою очередь зависит от влажности воздуха и высоты

2.15 Подразделяют ОК по таким признакам, как назначение и условия применения способ прокладки конструктивные и технологические особенности число ОВ и электрических жил.