СРРиТ / контрольная ФМООС 19 вариант

Вариант 19.

Задача №1.

Рассчитать параметры полупроводникового лазера , – дифференциальный квантовый выход, ширину спектра излучения, – скорость модуляции. Построить ватт-амперную характеристику.

Исходные данные:

Параметры полупроводникового лазера рассчитываются по следующим выражениям:

,

где – заряд электрона,

– вероятность излучаемой рекомбинации,

– коэффициент пропорциональности зависимости коэффициента усиления носителей,

– толщина активной области,

– ширина и длина активной j области,

– коэффициент оптического ограничения,

– концентрация носителей, при которой гасится поглощение между зонами и возникает усиление,

– потери в активной среде,

– коэффициентное отражение зеркал для полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо,

– показатели преломления активной, пассивной и внешней среды соответственно.

Дифференциальный квантовый выход определяется выражением:

Ширина излучения спектра равна:

– длина волны,

– ширина запрещённой зоны материала полупроводника.

Максимальная скорость передачи, обеспечиваемая лазером, определяется частотой электронно-фотонного резонатора.

Задача №2.

Рассчитать потери в элементах волоконного тракта, потери в волноводном световоде, потери в разъемных и неразъемных соединениях, потери при соединении источника излучения и волоконного световода.

Тип источника излучения – СЛД (суперлюминесцентный диод)

Ширина спектра излучения

Тип волоконногосветовода – Г (градиентный)

Параметр G источника излучения 5

Среднее поперечное смещение в соединителях

Среднее угловое смещение в соединителях

Тип фотодетектора – PIN

Длина волны источника излучения

Диаметр сердцевины световода

Числовая апертура

Показатель преломления сердцевины

Разность показателей преломления сердцевины и оболочки

Потери на соединение световод – фотодетектор

Потери на разъёмных соединениях

Решение:

Затухание в соединениях определяется следующим выражением :

α_i= α_ф+ α_a+ α_Na+ α_d+ α_D+ α_θ+ α_q, где

α_ф - затухание из-за френелевского отражения;

α_a - затухание из-за различия радиусов соединяемых ВС;

α_Na - затухание из-за различия в значениях числовых апертур;

α_d - затухание из-за несоосностисоединяемых ОВ;

α_D - затухание из-за зазора между ОВ;

α_θ - затухание из-за углового смещения;

α_q - затухание из-за различного профиля волокна.

Соединение может быть разъемным и неразъемным (сварным). Неразъемные оптические соединения обеспечивают минимальный уровень оптических потерь в пределах 0,1...0,5 дБ в зависимости от типа волокна и технологии изготовления соединения. В этом случае затухание вследствие френелевского отражения и из-за зазора между волокнами равно нулю. Затухание из-за зазора между соединяемыми волокнами за малостью можно не учитывать также и в разъемных соединениях.

Относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки:

Затухание за счёт френелевского рассеяния:

Потери на соединениях для градиентного ВС:

Затухание в соединениях:

Затухание при возбуждении ВС от источника излучения:

Затухание за счёт поглощения:

– тангенс угла диэлектрических потерь

Собственное затухание:

Задача №3.

20. Оптические волокна со ступенчатым распределением показателя преломления.

Волокно со ступенчатым распределением профиля показателя преломления – исторически первый тип оптического кабеля (рис.1).

Рис. 1. Распространение света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым распределением профиля показателя преломления

Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии. В связи с этим полоса пропускания ступенчатого волокна не превышает 10 МГц/км, что делает невозможным передачу видеосигнала на большие расстояния. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления (рис.2).

В таком волокне значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям, по закону

где π_o = (n₁-n₂)/n₁; a - радиус сердцевины оптоволокна. Благодаря этому, моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей (межмодовая дисперсия) существенно меньше, чем в многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. За счет этого полоса пропускания градиентного волокна возрастает до 600 МГц/км. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию в многомодовом волокне не удается, что объясняется как несовершенством профиля показателя преломления, так и наличием спиральных мод, возникающих вследствие осевой симметрии оптоволокна. Областью применения многомодового градиентного волокна являются в основном внутриобъектовые сети с дальностью передачи видеоинформации до 10 км.

Рис.2.Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления

Число мод в многомодовом волокне определяется через нормализованную частоту или V-параметр волокна:

V = π d n₁ λ^-1 (2Δ)^1/2

где π = 3,14 ; λ - длина волны излучения; d - диаметр сердцевины

Для ступенчатого волокна число мод определяется выражением

,

для градиентного с параболическим профилем показателя преломления оно вдвое меньше:

Для типичного многомодового волокна V=50, что соответствует 1250 модам в ступенчатом волокне и 625 в градиентном.

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи видеосигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна, оптические параметры которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода (рис.3.). Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается материальной дисперсией. Одномодовые волокна (SingleModeFiber) имеют сердцевину диаметром 8.5 - 10 мкм и используются в системах передачи видеосигналов на большие расстояния. В них используются лазерные источники излучения с длинами волн 1300 и 1550 нм при ширине спектра несколько нм.

Рис. 3. Структура одномодового оптического волокна

Нормализованная частота (V-параметр) для одномодового волокна V<2,4048. Это условие можно использовать при выборе значения d для получения одномодовых волокон, рассчитанных на определённую длину волны λ. Целесообразно работать с одномодовыми волокнами при V=2,4048, что позволяет иметь максимальный диаметр сердцевины d. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Таким образом, при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной длины волны. Однако, при случайных флуктуациях d одномодовый режим может нарушаться. Чтобы этого избежать, используют волокно с W-образным профилем показателя преломления (см. рис.4), так что n₁ > n₂ > n₃:

Рис.4.Структура оптоволокна с W-образным профилем.

Длина волны отсечки λ _c определяется соотношением:

для данного волокна, имеющего определённые d, n₁ и Δ. Для любой длины волны λ> λ _c волокно всегда будет одномодовым. Для λ < λ _c волокно становится многомодовым.

Оптический сигнал, распространяясь по волоконно-оптической линии, испытывает потери (уменьшение мощности) вследствие поглощения и рассеивания света в волокне из-за взаимодействия с веществами сердцевины и оболочки. Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света. Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, так как часть оптического сигнала распространяется и в ней. Борются с этим явлением путем нанесения на оболочку поглощающего покрытия.

Применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как в этом случае резко возрастают потери на нагрев световодов, а поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. С другой стороны, безграничное уменьшение длины волны приводит к возрастанию потерь на рассеивание сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения света определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях. Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны. В итоге в материале существует несколько областей с пониженным затуханием, которые называются окнами прозрачности, в которых функционируют оптические линии связи (рис.5). Это название во многом условно, так как выбор диапазонов определялся не только затуханием но и параметрами используемых излучателей и приемников. Наиболее часто оптические кабели работают на длинах волн 0,85, 1,3 и 1,55 мкм. Диапазон длин волн 850 нм использовался наиболее широко, так как излучатели и приемники на этот диапазон наиболее дешевые. В спектральной области 1300 нм существенно более низкие потери, но излучатели более дорогие.

Рис.5.Зависимость затухания от длины волны

Литература

1. Алишев Я. В. Многоканальные системы передачи оптического диапазона. – Мн.: Выш. шк., 1986.- 238 с.

2. Алишев Я.В., Урядов В.Н., Синкевич В.И. Проектирование оптических систем передачи.- Мн.: МРТИ, 1991.-96 с.

3. Оптические системы передачи: Учебник для вузов/ Б.В. Скворцов, В.В. Иванов, В.В. Крухмалев и др.; Под ред. В.И. Иванова.- М.: Радио и связь.- 1994. - 224с.

4. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи - М.: Салон-Р, 2001г.-226с.

11