Татаркина О.А. Волоконно-оптические системы передачи - файл n1.doc

Татаркина О.А. Волоконно-оптические системы передачи
скачать (14499 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc14499kb.03.11.2012 01:55скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Федеральное агентство связи

ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)


О.А.Татаркина
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Конспект лекций


Екатеринбург

2008

ББК 32.81

УДК 621.391.2

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры МЭС А.Н. Михалев


Татаркина О.А.

Волоконно-оптические системы передачи: Конспект лекций/О.А. Татаркина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. – 160 с.
Конспект лекций предназначен для студентов заочной формы обучения, на базе С(П)ОО специальности 210404.65 «Многоканальные телекоммуникационные системы» направления 210400.65 «Телекоммуникации».
Рекомендовано НМС УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» в качестве конспекта лекций.

ББК 32.81

УДК 621.391.2


Кафедра Многоканальной электрической связи

© УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008




СОДЕРЖАНИЕ


Введение

1 Основы построения ВОСП

1.1 Основные определения систем передачи

1.2 Вопросы теории света

1.3 Распространение световых лучей в оптических волокнах

1.4 Конструкция оптического волокна

1.5 Классификация ВОСП по методам мультиплексирования

1.6 Факторы шумов и искажений волоконно-оптической линии передачи

1.6.1 Оптические потери в одномодовых волокнах

1.6.2 Дисперсионные характеристики одномодовых оптических волокон

1.6.3 Нелинейные эффекты в волоконной оптике

2 Источники оптического излучения

2.1 Характеристики полупроводниковых материалов

2.2 Светоизлучающие диоды

2.3 Лазерные диоды

2.4 Характеристики источников излучения

2.5 Соединение источника с волокном

3 Модуляция излучения источников

3.1 Прямая (непосредственная) модуляция

3.1.1 Математическое описание работы модулятора

3.1.2 Основные характеристики прямой модуляции

3.2 Внешняя модуляция

3.3 Обобщенная схема передающего оптического модуля (ПОМ)

4 Приемники излучения ВОСП

4.1 Принцип действия фотодиодов

4.2 Основные характеристики ФД

4.3 Приемные оптические модули (ПрОМ)

4.4 Шумы фотоприемных устройств (ФПУ)

5 Линейный тракт ВОСП

5.1 Расчет длины регенерационного участка одноволновых ВОСП

5.2 Линейные коды ВОСП

5.3 Ретрансляторы ВОСП

5.3.1 Полупроводниковые оптические усилители

5.3.2 Волоконно-оптические усилители

5.3.3 Волоконные усилители, использующие эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР)

5.3.4 Волоконные усилители, использующие вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна

6 Системы связи плезиохронной цифровой иерархии

6.1 Системы связи для соединительных линий первичной цифровой иерархии Е1

6.2 Системы связи вторичной цифровой плезиохронной иерархии Е2

6.3 Системы связи третичной цифровой плезиохронной иерархии ЕЗ

6.4 Системы связи цифровой плезиохронной иерархии Е4

Дополнительная литература по дисциплине

Приложение А. Параметры одномодовых оптических волокон

Приложение Б. Характеристики линейных трактов одноволновых волоконно-оптических систем передачи SDH согласно рекомендации G.957 МСЭ-Т

Приложение В. Характеристики оборудования линейных трактов ВОСП с многоволновой передачей

5

6

6

7

10

12

21

23

23

26

29

56

56

61

64

70

73

76

76

77

80

86

90

93

93

95

98

100

105

106

108

114

115

117

121
129
134

134
135

138

145

146

147

150


158








ВВЕДЕНИЕ
В последние годы рост потребности в услугах связи для различных сфер деятельности людей обусловил бурное развитие средств телекоммуникаций во всех цивилизованных странах. Оптическое волокно (ОВ) оказалось именно той средой передачи, которая смогла удовлетворить возрастающие потребности людей в обмене информацией. Оптическое волокно и волоконно-оптическая техника играют в современной связи определяющее значение, первое – как среда для оптической цифровой передачи, вторая как набор средств, дающих возможность осуществления такой передачи.

Самые современные достижения науки становятся быстро востребованными и реализованными в волоконно-оптических системах связи. Процесс разработки, производства и внедрения новых систем происходит с такой скоростью, что нередко публикации о результатах этих исследований и разработок отстают от темпов их внедрения в практику. Поэтому специалисты весьма ограничены в доступе к последним достижениям в этой области. Причина этого – почти полное отсутствие современных учебников и ограниченное количество изданных учебных пособий, высокая стоимость научно-производственных изданий по оптической связи, поставка документации на иностранных языках. В этой связи еще более остро встает проблема обеспечения студентов современной и доступной литературой.

Предлагаемый конспект лекций для студентов заочной формы обучения составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования направления подготовки дипломированного специалиста «Телекоммуникации» и рабочей программой дисциплины «Волоконно-оптические системы передачи» для специальности 210404.65 «Многоканальные телекоммуникационные системы». Конспект лекций позволяет будущим инженерам оценить возможности, достигнутый уровень волоконно-оптических технологий и является руководством к более глубокому изучению ВОСП.
1 ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОСП


    1. Основные определения систем передачи


Система передачи (СП) – комплекс технических средств, обеспечивающий образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи.

Линейный тракт – комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью соответствующей данной системе передачи. В зависимости от типа системы передачи линейный тракт называют аналоговым или цифровым.

Волоконно-оптическая линия передачи (ВОЛП) – совокупность линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания.

Тракт групповой представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов тональной частоты (ТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту. В зависимости от нормализованного числа каналов групповой тракт называют первичным, вторичным, третичным, четверичным или N-ым групповым трактом.

Канал передачи – комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые и цифровые (канал ТЧ 0,3…3,4 кГц, ОЦК 64 кбит/с). Для их согласования применяются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).

Волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) – проводная система передачи, в которой все виды сигналов передаются по оптическому кабелю.

Быстрое и широкое внедрение ВОСП обусловлено рядом преимуществ данных систем.

Основные преимущества ВОСП следующие:

  1. широкая полоса пропускания (полоса пропускания оптического диапазона 187,5 ТГц);

  2. низкое значение коэффициента затухания оптического кабеля в широкой полосе частот, что позволяет обеспечивать большие длины регенерационных участков, значительно сократить или исключить ретрансляторы;

  3. высокая защищенность от внешних электромагнитных помех (оптическая связь не восприимчива к любым внешним и перекрестным электромагнитным помехам, не генерирует собственные электрические шумы);

  4. неограниченные запасы сырья для производства ОВ (кварц), малая металлоемкость и отсутствие дефицитных материалов (медь, свинец) в оптическом кабеле;

  5. малые размеры и масса ОК, что снижает затраты на его транспортировку и прокладку;

  6. высокая защищенность от несанкционированного доступа в связи с малой интенсивностью рассеиваемого излучения;

  7. высокая надежность и безопасность, обусловленная отсутствием коротких замыканий;

  8. пригодность прокладки ОК по существующим трассам, возможность при совершенствовании технологии оптической передачи наращивания пропускной способности уже проложенного ОК.


1.2 Вопросы теории света
Оптикой называется раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом. В физике все виды материи разделяётся по природе либо на волны, либо на частицы. Обычно свет представляется в виде волн, а электроны – в виде частиц. Однако современные физические исследования показали, что чёткой границы между частицами и волнами не существует. Поведение, как частицы, так и волны может быть и корпускулярным, и волновым.

Частицы света называются фотонами. Фотоны представляют собой квант, или пакет излучения, который является элементарной единицей излучения. Количество энергии, переносимое квантом, зависит от его частоты: большие частоты соответствуют большему количеству энергии. Длинам волн фиолетового диапазона соответствует большее количество энергии, чем красному цвету, так как фиолетовому диапазону соответствуют большие частоты. Энергия Е (в ваттах), запасённая в одном фотоне, равна:
E = hf, (1.1)
где f – его частота и h – постоянная Планка, равная 6,63 х 10–34 Дж-сек (Джоуль-секунда). Из этого уравнения видно, что энергия фотона зависит только от его частоты (или длины волны). Энергия фотона пропорциональна частоте. Квант энергии света, заключённой в одном фотоне, равен hf.

Чем выше частота, тем большую энергию имеет квант.

Инфракрасный свет (1013 Гц) 6,63 10–20 Дж-сек

Видимый свет (1014 Гц) 6,63 10–19 Дж-сек

Ультрафиолетовый свет (1015 Гц) 6,63 10–18 Дж-сек

Рентгеновские лучи (1018 Гц) 6,63 10–15 Дж-сек

Фотон является частицей с нулевой массой покоя. Если он не движется, то он не существует. В этом смысле фотон не является частицей, такой как материальный предмет. Он служит вместилищем энергии, но ведёт себя как частица.




Длина

волны

в вакууме 0,3 нм

300км 300м 30м 3м 30см 0,3мм 3мкм 0,3мкм
Средние Инфракрасный

Ультрафиолетовый

волны СВЧ диапазон диапазон

Длинные Короткие Микроволны

волны волны


4 нэВ 4 мкэВ 4 мэВ 4 эВ Энергия 4кэВ

фотона

Рисунок 1.1 - Спектр электромагнитных колебаний
В волоконной оптике свет рассматривают и как частицу, и как волну. Обычно в зависимости от смысла используют либо одно, либо другое понятие. Например, характеристики оптического волокна основаны на длине волны, и свет рассматривается как волна. Для описания работы одномодового волокна пригодна только волновая теория.

Поскольку корпускулы излучаются отдельными порциями (квантами), здесь для описания работы многомодового волокна пригодна лучевая теория. Кроме того, испускание света источником или его поглощение детектором также лучше описываются теорией частиц.

Два гармонических колебания s1 и s 2 называются когерентными, если разность их фаз не зависит от времени: и

Поскольку то циклические частоты когерентных колебаний должны быть одинаковы, т. е. В любой момент времени разность фаз когерентных колебаний равна разности их начальных фаз: Соответственно результирующие колебания – гармонические с той же циклической частотой

Источники когерентных волн называются когерентными источниками. Синусоидальные волны, частоты которых одинаковы, когерентны всегда. Гармонические колебания, частоты которых различны (?1 ? ?2) некогерентны.

Однако следует помнить, что два гармонических колебания с различными циклическими частотами ?1 и ?2 можно приближённо считать когерентными лишь в течение промежутка времени , за который разность фаз этих колебаний изменяется незначительно (?t « ?ког).

Время когерентности рассматриваемых колебаний рассчитывается по формуле:
(1.2)
Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от отношения между фазами этих волн. Интерферировать могут только когерентные волны, которым соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного и того же или близких направлений.

Под дифракцией света понимают огибание светом встречных препятствий, т. е. отклонение от законов геометрической оптики.

Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны при её распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав и иные направления распространения (например, фотолюминесценция). Поглощение света может вызвать нагревание вещества, возбуждение и ионизацию атомов или молекул и др.

Поглощение света описывается законом Бугера – Ламберта (закон Бугера), согласно которому интенсивность I плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:

(1.3)

Здесь и Iзначения интенсивности света на входе и выходе из слоя среды толщиной x, а aнатуральный показатель преломления среды, который зависит от химической природы и состояния поглощающей среды и от длины волны света ?.

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света. Рассеяние света происходит в оптически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке вследствие флуктуаций плотности среды (рэлеевское рассеяние) либо за счёт присутствия в среде инородных малых частиц, т. к. во всех типах стёкол, как правило, имеются примеси (такие, как окислы металлов, ионы переходного металла), размеры которых гораздо меньше, чем длина волны. В первом случае рассеяние света называется молекулярным рассеянием, а во втором – рассеянием света в мутной среде.

Количество рассеиваемой энергии зависит от плотности расположения дефектов.

Молекулярное рассеяние света в чистых средах, не содержащих инородных примесей, обусловлено неоднородностями, которые возникают в процессе беспорядочного теплового движения частиц среды. Эти неоднородности связаны с флуктуациями плотности, а в средах с анизотропными (полярными) молекулами – также с флуктуациями ориентации этих молекул. Среда называется изотропной, если её физические свойства, существенные в рассматриваемых задачах, одинаковы во всех направлениях.

В соответствии с законом Рэлея интенсивность рассеяния обратно пропорциональна длине волны в четвёртой степени . Поэтому она быстро уменьшается по мере роста длины волны.

Дисперсией света называется зависимость фазовой скорости vф света от его частоты f. Существование дисперсии света в среде обусловлено тем, что её показатель преломления n зависит то частоты f.
1.3 Распространение световых лучей в оптических волокнах

Как правило, гармоническая волна имеет неплоские волновые поверхности. На каждом малом участке волновую поверхность можно заменить частью плоскости, касательную к ней в рассматриваемой точке.





Пучок локально

параллельных

световых лучей.







Рисунок 1.2
В результате приходим к теории световых лучей, направленных по нормали к волновым поверхностям, то есть к геометрической оптике. Величиной grad S определяется световой луч в каждой точке волновой поверхности.

Нужно хорошо усвоить, что физический смысл плоской волны и физический смысл световых лучей (иначе говоря, геометрической оптики) один и тот же.

Законы геометрической оптики используются для описания и анализа процесса передачи оптических сигналов, когда длина волны излучения значительно меньше размеров диаметра сердцевины ОВ, то есть << 2R, где R – радиус сердцевины.

В геометрической оптике световые волны изображаются световыми лучами, которые распространяются в однородной среде прямолинейно.

При попадании на границу раздела двух сред с разными значениями показателей преломления световой луч изменяет своё направление и в общем случае появляется преломленный и отражённый лучи.

Показатель преломления, обозначаемый n, является безразмерной величиной, выражаемый через отношение скорости света в вакууме (с) к скорости света а материале (v):

(1.4)

Среда, у которой показатель преломления больше, называется оптически более плотной, в противном случае – менее плотной.

ппппп

отр

п - угол падения; п = отр

отр – угол отражения; пр  п

пр – угол преломления.




n1



пр

n2

n1 n2

Свет отклоняется от перпндикуляра


кр



900

кр- критический угол

n1

n2


Луч не попадает во второй материал



п

отр

n1

n2

п = отр. Угол падения равен углу

отражения.

Если угол падения больше критического, то

свет будет отражён от границы двух сред

Рисунок 1.3 – Законы преломления и отражения
Соотношения между углами падения п, отражения отр и преломления пр определяются законом Снеллиуса:
п = отр и n1 Sin п = n2 Sin пр (1.5)

или если n1  n2, то пр  п.
Путём увеличения угла падения можно достичь состояния, при котором преломленный луч будет скользить по границе раздела сред, не переходя в другую среду, т. е. пр= /2. Угол падения, при котором имеет место данный эффект, называется критическим угломкр полного внутреннего отражения
(1.6)
Очевидно, что для всех углов падения, больших критического (п  кр), будут иметь место только отражения, а преломления будут отсутствовать. Это явление называется полным внутренним отражением. На этом эффекте основан принцип передачи оптического излучения по оптическим волноводам.

Даже когда свет проходит в более плотную среду, некоторая его часть отражается назад в исходную среду. Этот эффект получил название отражение Френеля. Чем больше разница показателей преломления сред, тем больше доля света отражается назад. Показатель Френелевского отражения F на границе с воздухом равен:

(1.7)

В децибелах потери переданного света составляют:
дБ = -10 log (1-F).
Для света, падающего из воздуха на границу стекла (n = 1,5 для стекла), Френелевское отражение равно примерно 0,17 дБ. Поскольку такого рода потери происходят как при вхождении света в стекло, так и при выходе из него, то потери на соединении двух стёкол составляют 0,34 дБ. Френелевское отражение не зависит от направления прохождения двух сред.
1.4 Конструкция оптического волокна
Как известно, отражение и преломление зависят от показателей преломления граничащих сред и угла падения света на границу. Работа волокна основана на тех же принципах.


Оптическое

волокно















1 2 3

4 5 6
1 – сердцевина; 2 – рабочая оболочка; 3 – силиконовая оболочка (полимерное покрытие); 4 – первичное защитное покрытие из эпоксиакрилата внешним диаметром 245 ± 15 мкм; 5 – вторичное защитное (буферное) покрытие; 6 – внешняя (упрочняющая) оболочка.
Рисунок 1.4 – Устройство волокна
Рабочая оболочка предназначена:

а) для создания лучших условий отражения на границе раздела «сердцевина-оболочка;

б) для снижения излучения энергии в окружающее пространство.

n1 – показатель преломления сердцевины;

n2 – показатель преломления оболочки.

Причём n1 > n2.

Для характеристики волокна используются соотношения, которые принято называть разностью показателей преломления и относительной разностью показателей преломления.

Разность показателей преломления сердцевины n1 и оболочки n2 для многоволнового оптического волокна типовое значение порядка 0,01 и менее 0,004 для одномодового волокна. Обозначается ?n и вычисляется по формуле:

Под относительной разностью показателей преломления ? понимают величину, равную, отношению разности показателей преломления сердцевины и оболочки к показателю преломления сердцевины: , и которое для большинства ОВ равно

Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, а показатель преломления сердцевины может быть либо постоянным, либо изменяться вдоль радиуса по определённому закону. Характер изменения показателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем (индексом) показателя преломления.

Показатель преломления оптической оболочки менее чем на один процент меньше показателя преломления сердцевины. Характерные величины показателей преломления n1=1,47 и n2=1,46. Производители волокна строго контролируют разность показателей для получения нужных характеристик волокна.
Например, показатель преломления сердцевины оптического волокна фирмы Fujikura составляет n1 =1,465, фирмы Corning – n1 = 1,4681. Разность показателей преломления для многомодовых волокон ? = n1 - n2 ? 0,01; для одномодовых - ? = n1 - n2 ? 0,004.

Волокна, удовлетворяющие условию <<, относятся к слабо направляющим волокнам.

Специфические особенности движения света вдоль волокна зависят от многих факторов:

  1. Размера волокна.

  2. Состава волокна.

  3. Процесса инжекции света внутрь волокна.

Волокна сами по себе имеют чрезвычайно малый диаметр. Наиболее распространённые типы волокон имеют следующие размеры:

Сердцевина (мкм) Оболочка (мкм)

8 125

50 125

62,5 125
Оптические волокна характеризуются по двум параметрам.

Первый – по материалу, из которого сделано волокно:

В стекле присутствуют другие примеси, не извлечённые в процессе очистки. Из-за них увеличивается затухание, обусловленное рассеянием и поглощением света.

Второй – по индексу преломления сердцевины и модовой структуре света:
- многомодовый ступенчатый индекс;


- одномодовый ступенчатый индекс;



- многомодовый градиентный индекс.

Существует два основных вида профиля: ступенчатый и сглаженный (градиентный). В случае сглаженного профиля показатель преломления сердцевины не является однородным: показатель максимален в центре и постепенно спадает вплоть до оптической оболочки. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции:

, (1.8)

где r – текущий радиус;

R – радиус сердцевины;

n1 – показатель преломления в центре сердцевины, равный, примерно, 1,5;

q – показатель степени, определяющий изменение n(r);

?0,003 – 0,01.

Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае q=2 и соответственно

. (1.9)

Если принять , то показатель преломления определится как




q=4


n2



q=2




n1


Рисунок 1.5 – Изменение показателя преломления
На рисунке 1.5 показан характер изменения показателя преломления сердцевины при разных значениях q.

Ступенчатые волокна могут иметь и несколько отражающих оболочек, например, так называемое волокно W-типа, с сердцевиной из материала с показателем преломления n1, окружённый двумя оболочками, первая из которых имеет показатель преломления n2, а второй n3, причём n1 > n2 < n3 . Диаметр внутренней оболочки равен 2R ? 15 мкм.

Рассмотрим процесс распространения световых лучей в ОВ в рамках геометрической оптики.


СИ

СВ

?m

2?m

?пр

Lp



?m

R


?К










Вн

n1


А


Lh

В


С

n2


СВ


nо=1

n1 > n2 > nо

Рисунок 1.6
При попадании светового излучения на торец ОВ с радиусом R в нём могут распространяться три типа световых лучей: направляющие, вытекающие (оболочечные) и излучаемые. Наличие и преобладание какого-либо лучей определяется углом их падения на границу раздела "сердцевина – оболочка". Очевидно, что при некотором угле падения лучей на торец волокна, угле ввода ?В оптического излучения в ОВ и их дальнейшее попадание на границу раздела на ней может иметь место полное внутреннее отражение. Те лучи, которые падают на границу раздела под углом ? ? ?К (лучи А, В) распространяются в ней, не претерпевая преломления. Эти лучи называются направляемыми Н), и они являются основным типом лучей в сердцевине ОВ.

Лучи, падающие на границу раздела под углом ? < ?К (луч С), носят название вытекающих лучей (лучей оболочки) (СВ). Те лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее пространство (лучи СИ), носят название излучаемых лучей. При критическом угле падения угол преломления ?пр= /2, поэтому будем иметь равенство:

(1.10)

При угле падения ? > ?К имеет место явление полного внутреннего отражения. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы угол наклона луча к оптической оси волокна ? = ?/2 – ? был меньше ?m = ?/2 – ?K, а угол падения ?В луча на торец волокна был меньше некоторой величины ?m. Для определения углов ?m и ?m воспользуемся законом Снеллиуса, приняв nо=1 (показатель преломления воздуха).

(1.11)
При угле падения, равном критическому
(1.12)

Выразим через показатели преломления сердцевины и оболочки

(1.13)
(1.14)
Чем больше угол , тем большая часть падающего на торец волокна света может быть введена в волокно и будет в нём распространяться за счёт полного внутреннего отражения. Величина называется числовой апертурой (NA) волокна. Таким образом, приняв (показатель преломления для воздуха), получим:

NA = (1.15)


Физически апертура характеризует эффективность ввода оптического излучения в ОВ. NA является безразмерной величиной.

Для градиентных ОВ вводится понятие локальной числовой апертуры, равной
(1.16)
При r = 0, т. е. при вводе излучения по оси волокна, локальная числовая апертура равна номинальной числовой апертуре.

Для градиентного ОВ с параболическим профилем показателя преломления
NA = (1.17)

Параметры волновода, описывающие профиль показателя преломления и геометрию поперечного сечения, и частота или длина волны источника возбуждения могут быть объединены в один безразмерный параметр V, называемый волноводным параметром, или волноводной (нормированной) частотой:
(1.18)
где ? – длина волны в вакууме.

Это один из важнейших обобщающих параметров, используемых для оценки свойств ОВ, который связывает его структурные параметры и длину световой волны, распространяемой в волокне.

Для характеристики направляемого луча с точки зрения геометрической оптики необходимо определить траекторию его распространения, которая для ступенчатого волокна может быть меридианной, пересекающей ось волокна между точками отражений, либо косой, не пересекающей ось. Поэтому различают меридианные и косые световые лучи.

Меридианные лучи распространяются зигзагообразно. Косые лучи распространяются по спиралеобразной траектории. Поэтому для определения косого луча кроме угла падения необходимо знать второй угол, который характеризует скос луча и определяется как угол в плоскости сечения сердцевины между касательной к границе раздела и проекцией траектории луча (угол скоса).

Характеристики меридианных лучей определяются следующими параметрами:

1) длина пути Lp, определяемая расстоянием между двумя последовательными отражениями:

/ Sin ?; (1.19)

2) оптическая длина пути L0 :

L0 = n1LP =2R n1 / Sin ? ; (1.20)
3) полупериод траектории луча Lh:
Lh = 2R / tg ? = Lp Cos ?; (1.21)
4) число отражений N на единицу среды распространения:
N = 1 / Lh = tg ? / 2R . (1.22)
Из этих определений следует, что в произвольной точке на расстоянии L от начала волновода со ступенчатым профилем показателя преломления длина пути, оптическая длина пути и количество отражений определяются следующими выражениями:
(1.23)
Показатель преломления среды можно рассматривать как меру скорости распространения света v в этой среде, то есть
v = c / n. (1.24)
Следовательно, осевой луч будет проходить расстояние L вдоль волокна за время to = n1 L / c, а наиболее наклонный луч (В) то же самое расстояние пройдёт, с учётом (3.3), за время:
(1.25)
Таким образом, на выходе волокна эти лучи будут разделены во времени:
(1.26)

где

Световой импульс, содержащий лучи под всеми возможными углами, окажется размытым во времени в процессе своего распространения по волокну на величину, определяемую выражением:
(1.27)
Это уширение импульса при его распространении по волокну называется межмодовой (многолучевой) временной дисперсией волокна.

Если ?n << n, то Из этих рассуждений следует, что наиболее важной величиной, необходимой для описания процесса уширения импульса, является время прохождения луча t. Это время, в течение которого луч распространяется на расстояние L вдоль волновода по зигзагообразной траектории. Чем больше угол ?, тем больше время прохождения луча.

Если точечный источник излучения расположен вне оси световода или имеется сложный источник, то появляется одновременно как меридианные, так и косые лучи. Косые лучи образуют третий класс – туннелирующие лучи, которые относятся к вытекающим лучам.

Угол полного внутреннего отражения (угол ?) определяется выражением:
(1.28)
где

?1 и ?2 – относительное значение диэлектрической проницаемости материала сердцевины и оболочки световода;

?1 и ?2 – относительная магнитная проницаемость материала сердцевины и оболочки световода. Обычно ?1 = ?2 = 1.

Критическая частота fкр:
(1.29)

где Pnm – корни функций Бесселя;

- скорость распространения энергии в сердцевине световода.
Критическая длина волны ?кр:
. (1.30)
С ростом частоты появляются волны других типов, например E01 и Н01. При Рnm = 2,405 критическая частота передачи определяется по формуле:
(1.31)
Диаметр сердечника световода для одноволновой передачи определяется:
(1.32)
Обычно Тогда
(1.33)

1.5 Классификация ВОСП по методам мультиплексирования
ВОСП с ВРК или временным мультиплексированием TDM – ВОСП, в которой для передачи в одном направлении нескольких сигналов по одному волокну каждому сигналу отводятся определенные интервалы времени.

ВОСП-СР или мультиплексирование с разделением по длине волны WDM – ВОСП в которой для передачи в одном или двух противоположных направлениях нескольких сигналов по одному волокну используются источники излучения с различными длинами волн для передачи каждого сигнала.


Рисунок 1.7 - Обобщенная схема ВОСП
Назначение компонентов схемы ВОСП:

Наибольшее распространение получили мультиплексоры цифровых технологий передачи:

- PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy – плезиохронной цифровой иерархии;

- SDH, Synchronous Digital Hierarchy – синхронной цифровой иерархии;

- АТМ, Asynchronous Transfer Mode асинхронного режима передачи .

Основные компоненты ПОМ:

- источник излучения (светоизлучающий диод СИД, лазерный диод ЛД)

- оптический модулятор при внешней модуляции излучения

- элементы согласования источника с оптическим волокном (линзы, пигтейлы).

Виды ОР:

- электронный регенератор, регенерационный ретранслятор (регенератор ЦСП) с оптическими конверторами.

- линейный оптический усилитель (ОУ).

Основные части ПрОМ:

- элементы соединения ПрОМ с оптическим волокном

- фотодиод (p-i-n ФД, лавинный ФД).

- опорный оптический генератор (ООГ) при фотодетектировании с преобразованием.

- усилительные и корректирующие каскады

- блок регенерации сигнала.


1.6 Факторы шумов и искажений волоконно-оптической линии передачи
В целом, в соответствие со структурной схемой ВОСП, шумы и искажения сигналов волоконно-оптической линии передачи разделяют на шумы источника излучения, шумы фотоприемного устройства и линейные шумы и искажения. К основным шумам источника излучения относятся собственные шумы лазера, фазовый шум и шумы обусловленные оптической обратной связью, чирп-эффект. Основные шумы фотоприемного устройства – это тепловые и дробовые шумы фотодиода и шумы предусилителя. Линейные шумы - это, в первую очередь, шумы межсимвольной интерференции (ISI), которые включают в себя перекрестные помехи и шумы синхронизации.

Основные факторы искажений оптических импульсов при распространении в оптических волокнах – потери, дисперсия и нелинейные эффекты.
1.6.1 Оптические потери в одномодовых волокнах

Типичная характеристика затухания кварцевого оптического волокна и ее эволюция с развитием технологии производства волокон представлена на рисунке 1.8.

К фундаментальным факторам потерь относятся механизмы поглощения и рассеяния. Основной вклад вносят потери за счет релеевского рассеяния и инфракрасного поглощения. До недавнего времени существенный вклад вносили потери, обусловленные поглощением на примесях – в основном на примесях гидроксильной группы ОН. Эти потери носят резонансный характер. Дополнительные факторы потерь в оптических волокнах – это потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна, потери, обусловленнуе флюктуациями диаметра сердцевины волокна (границы сердцевина-оболочка). Эти потери нередко называют кабельными.

Как показывает рисунке 1.8 в области малых длин волн затухание кварцевого оптического волокна уменьшается с увеличением длины волны в основном по закону Релеевского рассеяния. Релеевское рассеяние обусловлено флюктуациями показателя преломления материала сердцевины вдоль и поперек оси волокна, что приводит к рассеянию света на случайных изменениях показателя преломления. Часть рассеянного светового потока образует поток обратного релеевского рассеяния, распространяющийся к источнику излучения, часть - попутный поток, направление распространения которого совпадает с направлением распространения полезного сигнала, а часть уходит в оболочку. Потери за счет релеевского рассеяния изменяются по закону

,

(1.34)

где – длина волны, мкм;

CPP – постоянная, которая зависит от состава материала сердцевины волокна и лежит в пределах CPP=0,7…0,9 мкм4дБ/км.




Рисунок 1.8 - Зависимость затухания сигнала в ОВ


В области длин волн более 1,7 – 1,8 мкм начинают проявляться потери из-за инфракрасного поглощения в кварце, вызванного резонансами атомов в кристаллической решетке SiO2. Изменение затухания инфракрасного поглощения описывается формулой:


,

(1.35)
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации