Волоконн ые световоды для связи

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Волоконн ые световоды для связи

С одержание

Вступление

1. Общие сведения

2. Волоконно-оптические системы связи со спектральным уплотнением каналов

2.1 Источники света

2.2 Оптические усилители

2.3 Волоконные световоды

3. Подводные волоконно-оптические системы связи

4. Новые типы одномодовых волоконних световодов для перспективних линий связи

5. Требования к волоконным световодам для линий связи

5.1 Принципы передачи информации в волоконных световодах

5.2 Основные виды волоконных световодов

5.2.1 Многомодовые волоконные световоды

Многомодовые ступенчатые волоконные световоды

Многомодовые градиентные волоконные световоды

5.2.2 Одномодовые волоконные световоды

6. Значение волоконных световодов для связи

Вывод

Используемая литература

Вступ ление

Волоконный световод хроматический дисперсия

Мысль, что в будущем основной средой передачи данных станет волоконная оптика, давно уже стала привычной.

Рынок волоконной оптики находится на подъеме. Подъем этот связан как с бурным развитием телекоммуникаций, где волоконно-оптические кабели повсюду уверенно теснят медные кабели, так и с очередным повышением интереса к волоконной оптике в области решений для локальных сетей. Отрасль стоит на пороге очередного технологического скачка, в результате которого эти решения должны стать еще более доступными для заказчиков.

Волоконные световоды благодаря их специфическим свойствам приобрели широкого распространения в современных системах автоматического контроля и управления разнообразными объектами, процессами и производством.

Общие сведения

Волоконный световод представляет собой тонкую кварцевую нить (диаметром около 0, 1 мм), по которой за счет полного внутреннего отражения может распространяться свет. Затухания света в волокне очень малы (0, 1-1, 0 дБ/км) и, поэтому, волоконные световоды активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот. Оптический сигнал, распространяясь по кварцевому волоконному световоду, не подвержен электромагнитным наводкам. Это свойство было использовано для создания пассивных волоконно-оптических датчиков, когда интенсивность света, распространяющегося по волоконному световоду, изменяется пропорционально измеряемой величине (температуре, давлению, и т.д.). Однако такой аналоговый оптический сигнал подвержен сильным искажениям из-за дрейфов мощности излучения лазера и случайным затуханиям интенсивности света при изгибах волокна. По этой причине возникла идея использовать частоту в качестве информационного параметра. В этом случае измеряемый параметр изменяет частоту модуляции света, а не его амплитуду и, поэтому, такой сигнал не чувствителен к долговременным дрейфам и кратковременным флуктуациям интенсивности света в волокне.

В качестве преобразователя давления, ускорения, силы и т.д в частоту модуляции света используют механические микрорезонаторы. Чаще всего в качестве микрорезонатора используют микромостик, вытравленный в пластине из кремния и закрепленный с двух сторон. Измеряемое воздействие изменяет механическое напряжение внутри микрорезонатора и, следовательно, резонансную частоту его изгибных колебаний.

Колебания микрорезонатора регистрируются при помощи волоконно-оптического интерферометра, образованного частично отражающей поверхностью микрорезонатора и торцом волоконного световода. При колебаниях микрорезонатора меняется отражающая способность интерферометра и, поэтому, свет, отражённый обратно в волоконный световод, будет промодулирован на частоте колебаний микрорезонатора. По изменению частоты модуляции света, мы можем судить о значении измеряемой величины.

Возбуждение механических колебаний микрорезонатора осуществляется пульсирующим светом из волоконного световода. Микромостик покрыт слоем металла и, поэтому, когда его центральная часть нагревается оптическим излучением из волокна, микромостик изгибается. Колебания микрорезонатора могут возникнуть, если промодулировать свет с частотой, равной примерно частоте собственных колебаний микрорезонатора. Чтобы сигнал интерферометра не накладывался на возбуждающий оптический сигнал, их разносят по длинам волн излучения.

Источники света

Широкое распространение получили полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, однако у них есть существенный недостаток - чувствительность длины волны излучения к изменению температуры. Разность длин волн соседних спектральных каналов составляет долю нанометра, поэтому в случае использования полупроводниковых лазеров необходимо осуществлять их термостабилизацию, что удорожает стоимость всей системы. Точность фиксации длины волны источников света должна быть не хуже 0.05 нм. От подобного недостатка свободны волоконные лазеры, в частности эрбиевые, генерирующие излучение в спектральной области 1.53-1.62 мкм. Они накачиваются лазерными диодами и представляют собой эффективный и стабильный источник света для систем со спектральным уплотнением каналов. Еще одним перспективным источником является суперконтинуум, генерируемый в волоконных световодах посредством ряда нелинейных эффектов при возбуждении достаточно мощными фемтосекундными импульсами. Использование оптических фильтров позволяет получить необходимое количество источников света, отличающихся длинами волн на заданную величину.

Оптические усилители

В настоящее время применяются три их типа: полупроводниковые, эрбиевые волоконные и рамановские волоконные усилители. Первые из упомянутых пока не используются в системах со спектральным уплотнением каналов в силу их быстрой динамики усиления, приводящей к перекрестным помехам между различными спектральными каналами. Широко распространены эрбиевые волоконные усилители, полная спектральная полоса усиления которых составляет около 80 нм ( С и L полосы усиления).

Кроме ширины полосы усиления важна плоскостность его спектральной характеристики. Это связано с тем, что во всех спектральных каналах должно быть одинаковое усиление. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики усиления, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов.

Рамановские усилители перспективны в силу следующих принципиальных преимуществ:

- они могут усиливать на любой длине волны;

- в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный световод;

- спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;

- низкий уровень шумов.

Основной же их недостаток - не очень высокая эффективность, приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина для систем оптической связи). Только в последнее время разработаны высокоэффективные рамановские волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в диапазоне 1.2-1.5 мкм, а также усилитель этого типа, использующий специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и низкими оптическими потерями. Появилась возможность использовать гибридный усилитель, состоящий из распределенного рамановского и эрбиевого волоконного. С его помощью X.Масуда с соавторами получил полосу усиления свыше 80 нм (их результаты были представлены на конференции в Сан-Хосе в 1998 г.) Кроме того, этот гибридный усилитель обеспечивает лучшие шумовые характеристики.

Волоконные световоды

Использование спектрального уплотнения каналов делает неизбежными жесткие требования к свойствам волоконных световодов, прежде всего к дисперсии и эффективной площади моды. Это связано с тем, что в данном случае значительно увеличивается суммарная мощность всех сигналов и в световоде происходят нелинейные явления, прежде всего 4-волновое смешение, вызывающее перекрестные помехи. Если в волоконный световод вводятся N длин волн, то за счет 4-волнового смешения появляются N2(N - 1)/2 новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн дисперсия световода близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно.

На рис. 2 показана роль дисперсии в этом процессе. В волоконные световоды с дисперсией D = 0 и D = 2.5 пс/нм • км вводится излучение четырех спектральных каналов мощностью 2 мВт в каждом. На выходе световода длиной 50 км (чем длиннее световод, тем выше эффективность нелинейных процессов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются (вследствие 4-волнового смешения). В световоде же с нулевой дисперсией длиной 25 км эффективно идет 4-волновое смешение и ясно видны более 20 дополнительных длин волн.

Рис. 2. Спектр излучения на выходе волоконных световодов с различной величиной дисперсии при возбуждении световодов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны 1546 нм.

Отсюда вытекает требование к волоконным световодам для систем со спектральным уплотнением каналов - отличная от нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах волн несущего излучения, при этом изменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимально (для систем связи с одним спектральным каналом требовались световоды с нулевой дисперсией для увеличения скорости передачи информации, и такие световоды были разработаны: за счет структуры световода нуль дисперсии смещался от длины волны -1.3 мкм к длине волны 1.55 мкм). В результате для систем со спектральным уплотнением каналов разработаны специальные световоды - с ненулевой смещенной дисперсией. Другой путь снижения роли нелинейности - это увеличение диаметра сердцевины одномодового световода, точнее говоря, увеличение эффективной площади моды Аэф. В этом случае плотность мощности излучения сигналов уменьшается, приводя к существенному ослаблению нелинейных явлений. Такие одномодовые волоконные световоды с Аэф > 80 мкм2 разработаны и используются в экспериментальных системах со спектральным уплотнением каналов.

Однако в силу специфической структуры таких световодов распределение поля моды в них отличается от гауссова (большие градиенты в распределении интенсивности света), что приводит к более сильному акустическому отклику, вызванному электрострикцией. Известно, что большие радиальные градиенты интенсивности света оптических импульсов в одномодовых волоконных световодах приводят к электрострикционному возбуждению поперечных акустических волн в волоконном световоде. Это, в свою очередь, становится причиной временного возмущения эффективного показателя преломления, взаимодействия оптических импульсов и в конце концов ведет к ограничению скорости передаваемой информации.

Подводя итоги, можно сказать, что при создании систем связи со скоростью передачи информации > 1 Тбит/с применяются всевозможные подходы, характеризующиеся использованием различного числа спектральных каналов и выбором информационной емкости индивидуальных каналов типа оптического усилителя и источника света. Это свидетельствует о надежности элементной базы и огромных потенциальных возможностях волоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением каналов.

Требования к волоконным световодам для линий связи

Все преимущества ВОЛС вытекают из физических принципов, на которых основана волоконно-оптическая технология. Передача информации по волоконным световодам имеет особенности, не присущие другим средствам коммуникации, потому целесообразно рассмотреть основные физические принципы функционирования одномодовых и многомодовых световодов.

Вывод

Таким образом, волоконные световоды активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот. Наибольшее применение волоконные световоды нашли в локальных компьютерных сетях (как в домашних, так и на производствах), кабельном телевидении, волоконно-оптических линиях связи.

Использование волоконных световодов позволит удовлетворить потребность в высокоскоростных линиях передачи данных, а также в обеспечении долговременного запаса прочности на будущее; стремление достигнуть максимальной защищенности от помех и от несанкционированного доступа извне.

Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. И новые результаты в скорости передачи информации с помощью волоконных световодов не заставят себя долго ждать.

Используемая литература

1.Волоконная оптика в измерительной и вычислительной технике/ А.Н.Казангапов, А.Л.Патлах, Р.Вильш, г.Швотцерг и др. – Алма-Ата: Наука, 1989.

2.Волоконно-оптические датчики/ [Т.Окоси, К.Окамото, М.Оцу и др.]; перевод с яп. Г.Н.Горбунова. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд.-ние, 1991.

3.Д.Дж.Стерлинг, младший. Техническое руководство по волоконной оптике. - М.: ЛОРИ, 1998.

4.Квєтний Р.Н. Математичні моделі розповсюдження хвиль у волоконних світловодах: Монографія/ Р.Н.Квєтний, Коцюбинський. – Вінниця: універсам, 2003.

5.Матвеев А.Н. Оптика [Учебн. Пособие для физ.спец. вузов]. – М.: Высшая школа, 1985.

6.Одномодовые волоконные световоды с модифицированной дисперсией / А.В. Белов, А.С. Курков, С.И. Мирошниченко, В.А. Семенов // Волоконная оптика. М.: Наука, 1993.

7.daily.sec.ru

8.library.mepti.ru

9.phys.onu.edu.ua

10.www.fasi.gov.ru

11.www.usu.ru