ВОЛОКОННО- ОПТИЧЕСКАЯ связь – ЧАСТЬ 1

November 21, 2011 by admin Комментировать »

Е. М. ДИАН OB, А. М. ПРОХОРОВ

 

Семидесятые годы этого столетия ознаменовались крупными успехами в разработке стеклянных волоконных световодов с малыми оптическими потерями. Это было вызвано необходимостью создания передающей среды для систем оптической связи, поскольку опыты по передаче информации с помощью луча лазера через свободную атмосферу показали, что из-за воздействия метеорологических условий она не является подходящей средой для передачи света на значительные расстояния. Использование труб с корректирующими элементами изолировало свет от влияния нестабильной атмосферы, но это были сложные, громоздкие и дорогостоящие устройства.

Стеклянные волоконные световоды использовались еще до изобретения лазера, но, так как они имели затухание более 1000 дБ/км, применение их для связи было малоперспективным. В 1970 г. были созданы световоды на основе кварцевого стекла с затуханием менее 20 дБ/км на волне 0,63 мкм, а в последующие годы затухание в них было снижено до значений менее 1 дБ/км в ближней ИКобласти спектра. В свою очередь, разработка волоконных световодов с малыми оптическими потерями стимулировала интенсивные исследования и разработку других элементов систем оптической связи, в частности полупроводниковых лазеров, фотодетекторов, элементов интегральной оптики и т. д. В результате возникло и бурно развивается новое направление науки и техники — волоконно-оптическая связь.

Преимуществом волоконных световодов для передачи информации является огромная полоса пропускания при малых оптических потерях. Известно, что по коаксиальным кабелям можно передавать широкополосные сигналы, однако потери в них зависят от полосы пропускания. Так, для полос модуляции около 100 МГц потери в различных типах коаксиальных кабелей составляют от нескольких десятков до 100 дБ/км, а для полос модуляции около 1 Ггц — и выше. Одномодовые волоконные световоды в области Я «’1,3 мкм имеют параметр широкополосности приблизительно 100 ГГц-км при потерях менее 1 дБ/км. Среди других преимуществ волоконных линий связи — невосприимчивость к электромагнитным помехам, малые объем и масса. Кроме того, для их изготовления не требуются дефицитные цветные металлы.

К началу 80-х гг. были разработаны и испытаны волоконно-оптические системы связи (ВОСС) первого поколения. Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, системы контроля и управления технологическими процессами, мощными электростанциями и др. Опыт эксплуатации ВОСС подтвердил их техническую и экономическую жизнеспособность.

Ключевым элементом ВОСС (рис. 1), в значительной степени определяющим такие важные ее характеристики, как скорость передачи информации, расстояние между ретрансляторами, стоимость, возможность работы в различных условиях, является волоконный световод. Именно поэтому, начиная с 1970 г., когда были реализованы первые стеклянные световоды с малыми потерями, начались их интенсивные исследования, охватывающие широкий круг вопросов: теорию и технологию изготовления волоконных световодов, оптические и механические характеристики, влияние окружающей среды (в частности, температуры, ионизирующих излучений, механических воздействий) на основные характеристики, нелинейные оптические явления, поиск новых материалов и структур и др. В результате были созданы стеклянные волоконные световоды с оптическими и механическими характеристиками, удовлетворяющими требования многих разработчиков ВОСС. В ряде развитых стран организовано массовое производство волоконных световодов и волоконно-оптических кабелей. Выпуск волоконных световодов во всем мире в настоящее время составляет примерно миллион километров в год.

Типичный волоконный световод представляет собой длинную тонкую нить, состоящую из стеклянной световедущей сердцевины, окруженной оболочкой из материала с меньшим, чем у сердцевины, показателем преломления. Обычно в качестве материала оболочки используют стекло, но можно применять и различные полимеры. Диаметр сердцевины, как правило, составляет 3…8 мкм в одномодовых световодах и до сотни микрометров в многомодовых, диаметр оболочки — от ста до нескольких сотен микрометров. Относительная разность показателей преломления материалов сердцевины и оболочки, обеспечивающая канализацию света посредством полного внутреннего отражения на их границе, сос-

Рис. 1. Схема простейшей волоконно-оптической линии связи

тавляет, как правило, 1…2% для многомодовых световодов и несколько десятых долей процента для одномодовых. Однако более наглядной и чаще используемой на практике характеристикой световода, определяемой разностью показателей преломления сердцевины и оболочки является так называемая числовая апертура NA световода, равная синусу максимального угла падения лучей на торец световода, при котором еще имеет место полное внутреннее отражение на границе раздела сердцевина — оболочка. Типичное значение NA для многомодовых световодов 0,2…0,3, для одномодовых — около 0,1.

. К механическим и оптическим характеристикам волоконных световодов, используемым в ВОСС, предъявляются определенные требования. Главной механической характеристикой является прочность. В реальных условиях световоды применяют лишь в виде волоконно-оптических кабелей со сложной структурой, обеспечивающей защиту световодов от различных внешних воздействий (механических, химических и т. д.). Теоретическая прочность стеклянных нитей на растяжение достаточно велика — сравнима или даже превышает прочность стали. Реальная же прочность значительно ниже, в основном из-за поверхностных и объемных дефектов. Поэтому стараются изготовить волоконный световод с возможно меньшим числом дефектов, и для этого в процессе вытяжки световодов их покрывают полимерными оболочками толщиной от нескольких единиц до десятков микрометров. Защищенные волоконные световоды имеют прочность на разрыв до 5 ГН-м-2, что вполне достаточно для многих применений.

Важнейшими оптическими характеристиками волоконных световодов, ограничивающими расстояние между ретрансляторами волоконно-оптической линии, являются оптические потери и дисперсия, приводящая к расширению короткого светового импульса при его распространении по световоду. Расширение короткого импульса света, распространяющегося по многомодовому волоконному световоду, обусловлено прежде всего так называемой меж- модовой дисперсией, т. е. различной групповой скоростью распространения разных мод. При типичных параметрах многомодовых световодов межмодовая дисперсия ограничивает информационную полосу пропускания световода длиной в 1 км до нескольких десятков мегагерц. Эффект различия групповых скоростей мод можно значительно снизить или устранить путем создания плавного профиля (близкого к параболическому) показателя преломления по сечению световода. Выбирая профиль изменения показателя преломления, можно получить параметр широкополосности многомодовых световодов около 600…800 МГц-км и выше. Поскольку оптимальный профиль изменения показателя преломления зависит от дисперсии показателя преломления материала световода, необходимо оптимизировать его для каждого спектрального участка, в котором передается информация.

В световодах с оптимальным профилем изменения показателя преломления и в одномодовых световодах информационная полоса пропускания ограничена дисперсией показателя преломления материала световода. При этом расширение короткого импульса света пропорционально второй производной показателя преломления по длине волны, называемой материальной дисперсией. Исследования показали, что материальная дисперсия кварцевого стекла обращается в нуль вблизи А,= 1,3 мкм. В этой спектральной области ограничение информационной полосы пропускания обусловлено волноводной дисперсией. По расчетам, параметр широкополосности одномодовых световодов вблизи Х=1,3 мкм составляет порядка 100 ГГц-км.

В настоящее время различают три типа волоконных световодов: многомодовые со ступенчатным (рис. 2,а) и градиентным (рис. 2,6) профилями показателя преломления и одномодовые (рис. 2,в).

Оптические потери в стеклах в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн, т. е. в области спектра, где кислородные стекла имеют максимальную прозрачность, определяются как фундаментальными механизмами поглощения и рассеяния, так и поглощением и рассеянием примесями и дефектами структуры. К фундаментальным механизмам оптических потерь относятся ультрафиолетовое поглощение, связанное с электронными переходами, инфракрасное решеточное поглощение и рэлеевское рассеяние. Ультрафиолетовое поглощение в кварцевом стекле невелико (менее 1 дБ/км) в области длин волн свыше 0,8 мкм. Инфракрасное решеточное поглощение начинает играть существенную роль (больше 10 дБ/км) на волнах длинее 1,8 мкм. Интенсивность рэ- леевского рассеяния изменяется с длиной волны по закону Аг4, и на волнах длинее 0,8 мкм потери на рэлеевское рассеяние меньше нескольких децибел на километр.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты