
- •Введение. Особенности оптического диапазона эмв. Достоинства волс.
- •2.1.1. Достоинства и область применения волс.
- •Волоконно-оптическая система передачи
- •Структурная схема волоконно-оптической системы передачи сигналов
- •1. Передача оптических сигналов.
- •Диапазоны эмв.
- •1. Особенности оптического излучения. Диапазон оптических длин волн.
- •Лекция 2. Основные положения и понятия волновой, квантовой и геометрической оптик
- •Параметры оптического излучения. Поляризация, монохроматичность и когерентность оптического излучения
- •Преломление света. Полное внутреннее отражение.
- •Волоконный световод (оптоволокно)
- •Параметры оптических волокон
- •2.1.3 Дисперсия
- •2.3. Межмодовая дисперсия
- •2.4. Материальная дисперсия и информационная емкость
- •Задача № 1
- •Задача № 2
- •2.5. Информационные параметры волс
- •Задача №3
- •2.6. Особенности работы и режимы волоконных световодов
- •2.7. Особенности расчетов и применения многомодовых волоконных световодов
- •2.8. Разновидности и применение одномодовых световодов (омвс)
- •Задача№4
- •2.10. Технология и материалы вс
- •2.11. Геометрические и механические характеристики вс
- •2.13. Разновидности и поколения волс
- •3. Оптические волноводы
- •3.1. Парамeтры оптических волноводов
- •3.2. Потери в оптических волноводах. Методы изготовления оптических волноводов
- •,Где – усредненная глубина шероховатостей.
- •3.2.2. Методы изготовления планарных и полосковых ов заимствованы из технологии пп электроники. Их можно условно разделить на три категории:
- •3.3. Связанные волны в оптических волноводах
- •Задача №5
- •Задача №6
- •Задача №7
- •Лекция 3
- •3.4. Пассивные элементы интегрально-оптических схем
- •4. Пассивные элементы волс
- •4.1. Оптические разветвители (ответвители)
- •4.2. Оптические аттенюаторы
- •4.3. Оптические мультиплексоры/демультиплексоры и фильтры
- •4. Управление временными параметрами оптического излучения
- •4.1. Модуляция лазерного излучения
- •4.2 Физические эффекты в кристаллах
- •4.3. ЭлектрОоптические модуляторы (эом)
- •Задача n9.
- •4.4. Акустооптические модуляторы (аом)
- •4.5. Магнитооптические модуляторы (мом)
- •5. Управление пространственными характеристиками оптического излучения
- •5.1. Основные определения
- •5.2. Электрооптические дефлекторы (эод)
- •Задача №10.
- •5.3 Акустооптические дефлекторы (аод)
- •Задача №11
- •6. Особенности источников оптического излучения для волс и ов.
- •7. Приемники оптического излучения
- •7.1. Принцип действия фотоприемников
- •7.2. Классификация, параметры и характеристики фотоприёмников
- •7.3 Фотодиоды с обычным p-nпереходом
- •7.4. Специальные типы фотодиодов
- •7.5. Фототранзисторы
- •7.6. Многоэлементные ФотоПриёмники
- •Задача №12.
- •8. Интегрально-оптические схемы
- •8.1. Основные определения
- •8.2. Примеры реализации Интегрально-оптических схем
- •9. Волоконноотические датчики (вод)
- •Принцип работы, классификация и параметры вод
- •9.2. Вод амплитудной модуляции
- •9.3. Вод фазовой модуляции.
- •9.4. Поляризационные вод.
- •9.5. Вод с управляемой связью в коаксиальных оптических волноводах.
- •10. Оптические методы обработки информации.
- •10.1 Основы голографии.
- •10.2 Элементы оптической памяти оптических и электронных процессоров.
- •10.3. Оптическая фильтрация.
- •11. Радиооптические антенные решетки (роар)
- •11.1. Основные понятия
- •11.2. Оптическое управление задержками свч - сигналов
- •11.3. Оптическое управление фар на основе оптического процессора
- •11.4 Фар с “экзотическими” методами управления.
Параметры оптических волокон
2.1.2.
Основным первичным параметром волоконного
световода
(ВС)
является профиль
показателя преломления (ППП), то
есть закон изменения коэффициента
преломления от радиуса
.
На рис.2.1 показаны ППП и ход лучей дляступенчатого
ВС (рис.2.1,а) и градиентного
ВС (градан,
селфок от
английского self
focus)
(рис.2.1,б), где
– диаметр
сердцевины,
–
диаметр оболочки. Из хода лучей для двух
частотных составляющих оптического
сигнала видно, что в случае ступенчатой
ВОЛС эти частотные составляющие приходят
с разной задержкой во времени, что
приводит к искажению выходного сигнала.
Например, оптическийпрямоугольный
импульс расплывается и становится
гауссовым.
Это явление называется частотной дисперсией и является основной причиной ограничения полосы частот, передаваемой через ВОЛС. В случае градиентной ВОЛС разница в задержках и искажения импульсов будут значительно меньшими в результате того, что, хотя пути для разных
составляющих
разные, в случае
луч проходит большее расстояние в менее
плотной среде. Для уменьшения дисперсии
обычно используются так называемыеслабонаправляющие
волокна с
.
При определенном законе ППП имеются
точки фокусировки, и любой отрезок
градиентного волокна играет роль линзы, то есть происходит явление самофокусировки.
В зависимости от
соотношения
волокно может бытьмногомодовым
(
),
в котором даже при одной
будет распространяться множество
(несколько сот) типов волн (мод), иодномодовым
(
).
В многомодовых ступенчатых волокнах
преобладает межмодовая дисперсия,
связанная с ходом лучей (рис.2.1,а), в
многомодовых градиентных – материальная
дисперсия, связанная с дисперсией
материала волокна
,
а в ступенчатом одномодовом –хроматическая
(материальная
и внутримодовая) дисперсии, которые
намного меньше межмодовой в многомодовых
ВОЛС.
Полоса частот ВОЛС
,
определенная дисперсией, оценивается
параметром, который называетсяинформационной
емкостью
ВОЛС.
где
– длина ВОЛС. Для многомодовых волокон
информационная емкость лежит в пределах
МГцкм,
а в одномодовых – до 1000ТГцּкм.
.
Рис.2.1. Типы ВОЛС и их ППП
Образно говоря,
информацию, содержащуюся в 24–часовой
телевизионной передаче, можно сжать и
передать за
.
2.1.3. Следующим
параметром является числовая
апертура –
NA.
Она определяется для ступенчатых и
градиентных ВС разницей коэффициентов
преломлений
.
На практике используютсяслабонаправляющие
волокна с
Δn<<n1
(технологически получить Δn<0,002
затруднительно).
,
(2.1)
где
– критический угол полного внутреннего
отражения, пересчитанный в воздух.
Квадрат числовой апертуры показывает
эффективность ввода света отдиффузного
(ламбертовского)
источника, имеющего диаграмму
направленности интенсивности
cos
.При этом КПД ввода
,
где
– световой поток, излученный диффузным
источником;
– световой поток, попадающий в волокно.
Из (2.1) видно, что КПД ввода для градиентного
ВС в два раза меньше, чем для ступенчатого.
2.1.4.
Коэффициент
ослабления
учитывает все виды ослабления, показывает
ослабление оптического сигнала по
мощности
(интенсивности) и входит в закон затухания,
как
,
где
[Нп/км]
или определяется в дБ/км
из выражения
При
этом в отличие от СВЧ,
.
В общем случае коэффициент ослабления выражается в виде суммы составляющих
(2.2)
где
– ослабление, обусловленное потерями
на торцах за счет несовпадения апертур
излучателя и волокна, зазоров и перекосов
на стыках, называемоеаппаратными
(
),
и за счетфренелевских
отражений
от торцов (
).
Эти виды потерь могут быть сделаны
пренебрежительно малыми при согласовании
апертур и применении просветляющих
покрытий.
К соединительным устройствам (оптическим разъемам и сварным стыкам) предъявляются высокие требования: зазор (12)мкм, перекос(46) – при этом потери составляют (0,21)дБ. При отклонении от этих требований потери увеличиваются в 7-20 раз. Наиболее жесткие требования предъявляются к соединительным устройствам одномодовых ВОЛС.
Второе слагаемое
в (2.2) учитывает ослабление в самой линии
–
,
(2.3)
где
– ослабление, обусловленное тепловыми
потерями в самом волокне, в основном,
за счет примесей
(2.4)
где
– угол потерь в сердцевине (размерности
в СИ)). Более сложные фор-мулы учитывают
и потери в оболочке, так как часть энергии
все же попадает в оболочку, особенно,
в одномодовых ВОЛС (
зависит от ширины полосы поглощения в
запрещенной зоне);
(2.5)
ослабление за счет
флуктуации
и дефектов в волокне (релеевские
потери);
– эмпирический коэффициент, зависящий
от материала, лежащий в пределах 0,71,5
(для SiO2
Kp=0,8
, а для стекла
Кр=1,5).
Рис. 2.2. Коэффициент ослабления в ВС
–ослабление за счет
потерь излучения на изгибах волокна,
когда нарушается явление полного
отражения. Во избежание этих потерь
необходимо, чтобы выполнялись условия:
радиус изгиба волокна
,
(
– критический радиус изгиба).
Суммарное ослабление
для разных типов волокон на основе
кварцевого стекла (SiO2)
лежит в пределах от долей дБ/км
до единиц дБ/км.
Для полимерных волокон
=
(10÷1000)дБ/км.
Формулы (2.4) и
(2.5) носят приближенный характер и
показывают лишь общую тенденцию
зависимостей. Экспериментальные
зависимости
имеют осциллирующий
характер с минимумами поглощения в
окнах прозрачности (ОП) кварцевого
стекла:
3ОП–-λ=(1,530÷1,565)
4ОП–-λ=(1,565÷1,625).
Минимальное поглощение наблюдается в
3ОП
при
.
Максимум поглощения из-за примесей,
особенно гидроксильной группыОН,
на
.
В последнее время разработаны ВС с
устраненным пиком поглощенияОН
и введено 5ОП
-
.
При
преобладает
,
т.е. тепловые потери.