Узлы

Волоконно-оптические системы - современные способы передачи энергии и информации

Основные элементы ВОСПИ

1. Преобразуют электрический сигнал в световой с заданными параметрами

2. Волоконно-оптический кабель(ВОК)(состоящий из оптических волокон(ОВ)) или ОВ

3. Приемник(преобразует световой сигнал в электрический с заданными параметрами)

4. Коннектор(соединитель) - служат для соединения ОВ между собой, а также при подключении ОВ к приемнику и передатчику

Кроме этих четырех основных элементов ВОСПИ применяются и другие элементы: разветвители, переключатели, моделяторы и т.д.

Преимущества ВОСПИ

1. Высокая скорость передачи информации(широкая полоса пропускания)

Для оптических волокон несущая частота = 10^14 Гц. для металлических проводников 10^3 Гц. При более высоких частотах используются коаксиальные кабели и волноводы. В металлических проводниках с ростом частоты растут потери на тепловое нагревание проводников.

Высокая скорость передачи информации по ОВ по сравнению с металлическими проводниками обусловлена значительным превышением несущей частоты(на 3-4 порядка), распространяющихся электромагнитных волн ОВ по сравнению с несущими частотами в металлических проводниках.

2. Низкие потери, которые в отличие от металл.проводников не зависят от несущей частоты

3. Нечувствительность к э-м полям

4. Скрытность передачи информации. В отличие от металл.проводников при передаче информации по ОВ отсутствуют излучения э-м волн во внешнюю среду

5. Безопасность. ОВ - диэлектрик, не проводит электрический ток

6. Кварц. Работоспособность многих типов ОВ в агрессивных средах

7. Хорошие массогабаритные показатели, во много раз превосходящие показатели металлических кабелей с теми же потребительскими свойствами. Дешевле

Применение ВОСПИ в биомедицинской технике

1. Системы наблюдения за работой различных органов и сред

2. Воздействие излучением на различные органы и среды(терапия, хирургия, диагностика)

3. Волоконно-оптические датчики для определения параметров функционирования и состояния различных органов и сред

4. Использование в приборах и коммуникационных сетях для передачи энергии и информации

Принцип работы, строения и основные параметры ОВ

Принцип действия световода(ОВ)

Действие ОВ основано на явлении полного внутреннего отражения э-м волн на границе раздела 2-х сред с различными показателями преломления

Закон Снеллиуса

...

Типичное строение ОВ

...

Мода - это тип распространяющейся по ОВ э-м волны. Разные моды могут отличаться направлением, частотой, поляризацией, пространственным распространением энергии и т.д. Моды, распространяющиеся в сердцевине ОВ называются направляемыми. Излучаемые моды - моды, покидающие ОВ(вышедшие из оболочки.

Аппертурный угол ОВ.

Выясним, при каких углах падения на торец волокна все падающее излучение будет направляемыми модами.

Аппертурный угол ов - это угол, внутри которого все лучи, падающие на торец волокна, будут направляемыми модами

Показатель преломления сердцевины больше показателя преломления оболочки

Ступенчатые ОВ

В ступенчатых ОВ показатель преломления сердцвевины всюду постоянный. Показатель преломления оболочки же постоянен для всех типов волокон. В ступенчатом ОВ траектории движения лучей представляют собой ломаные линии

Градиентные ОВ

В градинтных ОВ показатель преломления сердцевины уменьшается по мере удаления от оси(центра) волокна, обычно по квадратичному закону.Лучи движутся по синусоидальным траекториям, причем в разных местах сердцевины они имеют разную скорость(чем дальше от оси, тем скорость больше).

Оптические волокна, в которых распростряняется только одна мода называются одномодовые. Если больше - многомодовые(если число мод небольшое, иногда называют маломодовые). Многомодовые ОВ бывают как ступенчатыми, так и градиентными. Одномодовые ОВ бывают ступенчатые и со специальным профилем показателя преломления сердцевины. В одномодовых ОВ понятие траектории луча отсутствует, а только лишь направление распространения излучения.

Критерий одномодовости ОВ

Введем понятие нормализованной частоты

...

Количество ОВ, распространяющихся в ступенчатом волокне ...

В настоящее время выпускаются ОВ различных типов и размеров.

Типичные размеры стандартных кварцевых ОВ:

Одномодовые: 9/125/250

диаметр сердцевины/диаметр оболочки/диаметр защитного покрытия(все в мкм)

Типичные размеры стандартных многомодовых ОВ: 50/125/250

Иногда кроме первичного защитного покрытия наносят и вторичное защитное покрытие диаметром 900мкм.

Наряду со стандартными ОВ выпускаются волокна и с другими размерами.

Волокна с сердцевиной и оболочкой из кварца и полимерным покрытием называют "кварц-кварц-полимер". Возможным волокна "кварц-полимер".

В померных ОВ "полимер-полимер" сердцевина и оболочка из полимера. Такие волокна имеют высокие потери, низкую скорость передачи сигнала, но довольно часто применяются для передачи энергии и информации на короткие расстояния)до десятки метров)

В последние годы развиваются ОВ из других материалов. Например, ОВ на фториевых стеклах, галлоидных и т.д. У этих материалов потери излучения при распространении ниже, чем в кварце, а также они имеют "оптопрозрачность" в других диапазонах длин волн.

Потери в ОВ

...

Суммарные потери в оптической системе измеряются в ДБ.

Затухание(потери) в кварцевых ОВ обусловлены собственными потерями и дополнительными потерями. Собственные потери состоят из:

- потерь, связанных с рассеиванием света на неоднородностях ОВ(неоднородности показателя преломления)

- потери на молекуле кварца(происходит возбуждение колебательных состояний)

- потери на молекулах примесей

Из-за малых размеров сердцевины одномодового ОВ по сравнению с многомодовым потери в одномодовых ОВ на рассеивание и поглощение меньше

Дополнительные потери:

- потери, связанные с механическим воздействием на ОВ(растяжение, сгибы и т.д), т.к в месте сгиба угол падения на раздел сердцевина-оболочка становится меньше и направляемые моды преобразуются в вытекающие и излучаемые

- потери, возникающие при нанесении защитных покрытий

Типичная зависимость затухания кварцевых ОВ от длины волны

...

0,85мкм, 1,3мкм, 1,55мкм - окна прозрачности

Для дальней связи используется второе окно

При работе на втором и третьем окнах прозрачности длина регенерационных участков может быть более 200км.

Потери при соединении ОВ

Величина потерь оптической мощности при соединении ОВ. Определяется:

1. Взаимным расположением ОВ:

- между осями есть промежуток

- радиальное смещение - угол между торцами ОВ

- осевое рассогласование(разрыв оси).

При малых рассогласованиях наибольший вклад в потери вносит радиальное смещение

2. Различием параметров соединяемых ОВ(по размерам сердцевин и числовых аппертур)

- потери, связанные с различием радиусов(считается как отношение площадей) потери возникают при передаче из большего диаметра в меньший

- потери, связанные с различием числовых аппертур

3. Потери, связанные с отражением от торцов световодов

Данные потери обусловлены отличием показателем преломления сердевин и показателем преломления среды между торцами волокон.

Реферат - люминисцентные методы анализа и оборудование(конец апреля)

Задача - стеклопакет состоит из 4х стекол. Потери на каждом стекле равны 0,3дб. На наружное стекло нанесено светоотражающее покрытие, потери на котором равны 0,5 дб. Определить суммарное поглощение потерь.(просуммировать все потери) =4*0,3 + 0,5 = 1,7дб

Таблица потерь в Дб и оставшаяся мощность в процентах

0,1дб - 97,7%

0,2 - 95,5

0,3 - 93,3

0,4 - 91,2

0,5 - 89,1

0,6 - 87,1

0,7 - 85,1

0,8 - 83,2

0,9 - 81,1

1 - 79,4

2 - 63,1

3 - 50,1

4 - 39,8

5 - 36,6

6 - 25,1

7 - 19,9

8 - 15,8

9 - 12,6

10 - 10

20 - 1

30 - 0,1

40 - 0,01

50 - 0,0001

60 - 0,00001

Неразъемные и разъемные соединения ОВ

Неразъемные соединения осуществляют в местах в местах постоянного монтажа. Обычно неразъемные соединения осуществляют с помощью сварки, иногда с помощью клея.

...

В настоящее время более распространен щадящий для ОВ метод юстировки ОВ путем выравнивания их профилей с помощью высокоразрешающих цифровых видеокамер.

На сварной сросток надевается защитная гильза. Потери на стык при сварных соединениях волокон порядка 0,1дб для многомодовых ОВ и 0,2дб для одномодовых.

Механический сплайс - это устройство, аналогичное устройству для склеивания ОВ, но вместо клея используется инверсионная жидкость или гель. Используется для разъемных соединений.

Оптические разъемы - служат для многократного соединения оптических волокон между собой и с оконечной аппаратурой(излучателями и т.д). Состоит из вилки(коннектора) и соединительной розетки.

Отрезок ОВ с двумя коннекторами на концах назыв. пачкордом.

Некоторые другие пассивные элементы ВОСПИ.

Оптические разветвители

Оптические разветвители характеризуются коэффициентом передачи между каналами и носимыми потерями.

у-образный

разветвитель х-у типа широко используется в волоконно-оптических датчиках(амплитудных и интерференционных)

Если коэффициент передачи между каналами зависит от длины излучения , то такие разветвители называются спектрально-селективными.

Оптические изоляторы - это устройства, пропускающие излучения в одном направлении с очень малыми потерями, а в обратном - с очень большими.

Волоконно-оптические жгуты

Для передачи изображения, а так же световой энергии, оптические волокна объединяют в жгут.

Жгут представляет собой пучок волокон, склееных на расстоянии нескольких миллиметров на обоих концах, в котором торцы перпендикулярны осям волокон и отполированы. Оба конца могут свободно перемещаться друг относительно друга, т.е. волоконный жгут гибкий. Если порядок волокон на одном конце жгута совпадает с порядком волокон на другом конце(т.е. соседние волокна на одном торце являются соседними и на другом), то такой жгут называется регулярным и с его помощью можно передавать изображение. Если порядок волокон не совпадает, то такой жгут называет осветительным и служит только для передачи световой энергии.

Составляющий жгут волокна обычно имеют диаметр сердцевины 5-20 мкм и тонкую оболочку. Количество волокон в жгутах может составлять десятки и даже сотни тысяч. Обычно волокна уложены гексагонально(в виде сот).

Жгут характеризуется коэффициентом наполнения, равным отношению площади всех сердцевин волокон на торце жгута к площади самого торца.

Реальные жгуты обычно имеют коэффициент заполнения 0,5-0,7.

Разрешающая способность жгута - это величина, обратная двум диаметрам волокна, выраженного в миллиметрах(линии на миллиметр).

Жгутов больше 100 линий на мм не изготовляют, т.к это технологически сложно.

Аппертура жгута равна аппертуре составляющих жгут волокон.

Рассчет коэффициента заполнения жгута при гексагональной укладке и определение количества волокон в жгуте.

...

Оптический кабель(ОК).

Волоконно-оптические системы передачи информации(ВОСПИ) строятся с применением ОК. В зависимости от назначения ОК производятся различных типов и конструкций. Количество ОВ может быть от одного до нескольких сотен. Цель укладки ОВ в ОК - защита ОВ от внешних воздействий.

В состав ОК обычно входит силовой элемент(придает жесткость всей конструкции). Его изготовляют из металла, углепластика и т.д. Обычно вокруг силового элемента располагаются полые пластиковые трубки, в которых свободно расположены одно или несколько волокон. Трубки и волокна имеют окрас - это помогает идентифицировать ОВ при соединении ОК. Эти полые трубки находятся внутри защитной оболочки, усиленной кевларом или стальной лентой. Сверху ОК имеет проризиненную или пластиковую оболочку.

Скорость передачи информации по ОВ. Дисперсия в ОВ.

Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала, приводящее к увеличению длительности импульса при его распространении по ОВ(уширение импульса). Дисперсия ОВ(т.е уширение импульса) определяется тремя факторами:

1. Отличием длин траектории различных направляемых мод при прохождении одного и того же участка ОВ(межмодовая дисперсия)

2. Отличием скоростей распространения излучения для разных длин волн. Т.к. излучатель всегда имеет какую-то ширину спектра, то это приводит к различному времени прохождения одного и того же участка волокна различными спектральными составляющими сигнала. Показатель преломления среды зависит от длины волны, следовательно скорость различных спектральных составляющих будет зависеть от длины волны(материальная дисперсия)

3. Напрявляющими свойствами ОВ(волноводная дисперсия).

Межмодовая дисперсия - наблюдается только в многомодовых ОВ.