Курсоваработа
пооптике
натему:
Волоконныесветоводы для связи
Содержание
Вступление
1. Общие сведения
2. Волоконно-оптические системысвязи со спектральным уплотнением каналов
2.1 Источники света
2.2 Оптические усилители
2.3 Волоконные световоды
3. Подводные волоконно-оптическиесистемы связи
4. Новые типы одномодовыхволоконних световодов для перспективних линий связи
5. Требования к волоконнымсветоводам для линий связи
5.1 Принципы передачи информации вволоконных световодах
5.2 Основные виды волоконныхсветоводов
5.2.1 Многомодовые волоконныесветоводы
Многомодовые ступенчатые волоконныесветоводы
Многомодовые градиентные волоконныесветоводы
5.2.2 Одномодовые волоконныесветоводы
6. Значение волоконных световодовдля связи
Вывод
Используемая литература
Вступление
волоконныйсветовод хроматический дисперсия
Мысль, что в будущем основнойсредой передачи данных станет волоконная оптика, давно уже стала привычной.
Рынок волоконной оптикинаходится на подъеме. Подъем этот связан как с бурным развитием телекоммуникаций,где волоконно-оптические кабели повсюду уверенно теснят медные кабели, так и с очереднымповышением интереса к волоконной оптике в области решений для локальных сетей. Отрасльстоит на пороге очередного технологического скачка, в результате которого эти решениядолжны стать еще более доступными для заказчиков.
Волоконные световоды благодаряих специфическим свойствам приобрели широкого распространения в современных системахавтоматического контроля и управления разнообразными объектами, процессами и производством.
1.Общиесведения
Волоконный световод представляетсобой тонкую кварцевую нить (диаметром около 0,1 мм), по которой за счет полноговнутреннего отражения может распространяться свет. Затухания света в волокне оченьмалы (0,1-1,0 дБ/км) и, поэтому, волоконные световоды активно используются для передачиоптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот. Оптическийсигнал, распространяясь по кварцевому волоконному световоду, не подвержен электромагнитнымнаводкам. Это свойство было использовано для создания пассивных волоконно-оптическихдатчиков, 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 дрейфовмощности излучения лазера и случайным затуханиям интенсивности света при изгибахволокна. По этой причине возникла идея использовать частоту в качестве информационногопараметра. В этом случае измеряемый параметр изменяет частоту модуляции света, ане его амплитуду и, поэтому, такой сигнал не чувствителен к долговременным дрейфами кратковременным флуктуациям интенсивности света в волокне.
В качестве преобразователядавления, ускорения, силы и т.д в частоту модуляции света используют механическиемикрорезонаторы. Чаще всего в качестве микрорезонатора используют микромостик, вытравленныйв пластине из кремния и закрепленный с двух сторон. Измеряемое воздействие изменяетмеханическое напряжение внутри микрорезонатора и, следовательно, резонансную частотуего изгибных колебаний.
Колебания микрорезонаторарегистрируются при помощи волоконно-оптического интерферометра, образованного частичноотражающей поверхностью микрорезонатора и торцом волоконного световода. При колебанияхмикрорезонатора меняется отражающая способность интерферометра и, поэтому, свет,отражённый обратно в волоконный световод, будет промодулирован на частоте колебаниймикрорезонатора. По изменению частоты модуляции света, мы можем судить о значенииизмеряемой величины.
Возбуждение механическихколебаний микрорезонатора осуществляется пульсирующим светом из волоконного световода.Микромостик покрыт слоем металла и, поэтому, когда его центральная часть нагреваетсяоптическим излучением из волокна, микромостик изгибается. Колебания микрорезонаторамогут возникнуть, если промодулировать свет с частотой, равной примерно частотесобственных колебаний микрорезонатора. Чтобы сигнал интерферометра не накладывалсяна возбуждающий оптический сигнал, их разносят по длинам волн излучения.
2.Волоконно-оптическиесистемысвяти соспектральнымуплотнениемканалов
Принцип работы таких системвиден на рис. 1. Излучение различных длин волн (в настоящее время, как правило,от независимых источников света), несущее для каждой из них свою информацию, вводитсяв один волоконный световод с помощью специального устройства — мультиплексора, усиливаетсяоптическим усилителем и распространяется по волоконной линии связи. На выходе линиисвязи после оптического усилителя излучение разделяется по длинам волн с помощьюдемультиплексора.
/>
Рис. 1. Принципиальная схемаволоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов
Остановимся коротко на некоторыхпараметрах этих систем. Полная скорость передачи информации:
В = Nb,
где N — число спектральныхканалов; b — скорость передачи информации по одному каналу. В настоящее времявеличины b = 2.5; 5; 10; 20; 40 Гбит/с. Ведутся успешные работы по увеличениюскорости передачи информации одного спектрального канала до 160 Гбит/с, при этомиспользуется оптическое временное уплотнение информации. Число спектральных каналовдостигает 100 и более. Полоса усиления современных оптических усилителей — 30-80нм, она является одним из главных ограничений числа передаваемых каналов и полнойскорости передачи информации. Что касается разности длин волн (частот) соседнихканалов (нм), то в настоящее время эта величина находится, как правило, в диапазоне0.2 (25 Ггц) — 0.75 (100 Ггц).
Терабитные скорости в системахсо спектральным уплотнением каналов предъявляют вполне определенные требования кэлементам таких систем, в первую очередь к источникам света, оптическим усилителями волоконным световодам, используемым в настоящее время.
2.1 Источники света
Широкое распространениеполучили полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, однако у нихесть существенный недостаток — чувствительность длины волны излучения к изменениютемпературы. Разность длин волн соседних спектральных каналов составляет долю нанометра,поэтому в случае использования полупроводниковых лазеров необходимо осуществлятьих термостабилизацию, что удорожает стоимость всей системы. Точность фиксации длиныволны источников света должна быть не хуже 0.05 нм. От подобного недостатка свободныволоконные лазеры, в частности эрбиевые, генерирующие излучение в спектральной области1.53-1.62 мкм. Они накачиваются лазерными диодами и представляют собой эффективныйи стабильный источник света для систем со спектральным уплотнением каналов. Ещеодним перспективным источником является суперконтинуум, генерируемый в волоконныхсветоводах посредством ряда нелинейных эффектов при возбуждении достаточно мощнымифемтосекундными импульсами. Использование оптических фильтров позволяет получитьнеобходимое количество источников света, отличающихся длинами волн на заданную величину.
2.2Оптические усилители
В настоящее время применяютсятри их типа: полупроводниковые, эрбиевые волоконные и рамановские волоконные усилители.Первые из упомянутых пока не используются в системах со спектральным уплотнениемканалов в силу их быстрой динамики усиления, приводящей к перекрестным помехам междуразличными спектральными каналами. Широко распространены эрбиевые волоконные усилители,полная спектральная полоса усиления которых составляет около 80 нм (С и Lполосы усиления).
Кроме ширины полосы усиленияважна плоскостность его спектральной характеристики. Это связано с тем, что во всехспектральных каналах должно быть одинаковое усиление. Как правило, ни один из усилителейне имеет плоской спектральной характеристики усиления, поэтому выравнивание спектраусиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов.
Рамановские усилители перспективныв силу следующих принципиальных преимуществ:
— они могут усиливать налюбой длине волны;
— в качестве их активнойсреды может использоваться сам волоконный световод;
— спектр их усиления зависитот спектра накачки, поэтому подбором источников накачки можно формировать оченьширокую (более 100 нм) полосу усиления;
— низкий уровень шумов.
Основной же их недостаток- не очень высокая эффективность, приводящая к необходимости использовать довольномощную непрерывную накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичнаявеличина для систем оптической связи). Только в последнее время разработаны высокоэффективныерамановские волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в диапазоне1.2-1.5 мкм, а также усилитель этого типа, использующий специальные волоконные световодыс большим содержанием германия и низкими оптическими потерями. Появилась возможностьиспользовать гибридный усилитель, состоящий из распределенного рамановского и эрбиевоговолоконного. С его помощью X.Масуда с соавторами получил полосу усиления свыше 80нм (их результаты были представлены на конференции в Сан-Хосе в 1998 г.) Кроме того,этот гибридный усилитель обеспечивает лучшие шумовые характеристики.
2.3 Волоконные световоды
Использование спектральногоуплотнения каналов делает неизбежными жесткие требования к свойствам волоконныхсветоводов, прежде всего к дисперсии и эффективной площади моды. Это связано с тем,что в данном случае значительно увеличивается суммарная мощность всех сигналов ив световоде происходят нелинейные явления, прежде всего 4-волновое смешение, вызывающееперекрестные помехи. Если в волоконный световод вводятся N длин волн, тоза счет 4-волнового смешения появляются N2(N — 1)/2 новых длин волн. Еслиже в области вводимых длин волн дисперсия световода близка к нулю, то выполняетсяусловие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно.
На рис. 2 показана рольдисперсии в этом процессе. В волоконные световоды с дисперсией D = 0 и D= 2.5 пс/нм • км вводится излучение четырех спектральных каналов мощностью 2 мВтв каждом. На выходе световода длиной 50 км (чем длиннее световод, тем выше эффективностьнелинейных процессов) с ненулевой дисперсией дополнительные длины волн не наблюдаются(вследствие 4-волнового смешения). В световоде же с нулевой дисперсией длиной 25км эффективно идет 4-волновое смешение и ясно видны более 20 дополнительных длинволн.
/>
Рис. 2. Спектр излученияна выходе волоконных световодов с различной величиной дисперсии при возбуждениисветоводов излучением четырех спектральных каналов вблизи длины волны 1546 нм.
Отсюда вытекает требованиек волоконным световодам для систем со спектральным уплотнением каналов — отличнаяот нуля (но не очень большая) дисперсия на длинах волн несущего излучения, при этомизменение величины дисперсии в зависимости от длины волны должно быть минимально(для систем связи с одним спектральным каналом требовались световоды с нулевой дисперсиейдля увеличения скорости передачи информации, и такие световоды были разработаны:за счет структуры световода нуль дисперсии смещался от длины волны -1.3 мкм к длиневолны 1.55 мкм). В результате для систем со спектральным уплотнением каналов разработаныспециальные световоды — с ненулевой смещенной дисперсией. Другой путь снижения ролинелинейности — это увеличение диаметра сердцевины одномодового световода, точнееговоря, увеличение эффективной площади моды Аэф. В этом случае плотностьмощности излучения сигналов уменьшается, приводя к существенному ослаблению нелинейныхявлений. Такие одномодовые волоконные световоды с Аэф > 80 мкм2 разработаныи используются в экспериментальных системах со спектральным уплотнением каналов.
Однако в силу специфическойструктуры таких световодов распределение поля моды в них отличается от гауссова(большие градиенты в распределении интенсивности света), что приводит к более сильномуакустическому отклику, вызванному электрострикцией. Известно, что большие радиальныеградиенты интенсивности света оптических импульсов в одномодовых волоконных световодахприводят к электрострикционному возбуждению поперечных акустических волн в волоконномсветоводе. Это, в свою очередь, становится причиной временного возмущения эффективногопоказателя преломления, взаимодействия оптических импульсов и в конце концов ведетк ограничению скорости передаваемой информации.
Подводя итоги, можно сказать,что при создании систем связи со скоростью передачи информации >1 Тбит/с применяютсявсевозможные подходы, характеризующиеся использованием различного числа спектральныхканалов и выбором информационной емкости индивидуальных каналов типа оптическогоусилителя и источника света. Это свидетельствует о надежности элементной базы иогромных потенциальных возможностях волоконно-оптических систем связи со спектральнымуплотнением каналов.
3.Подводныеволоконно-оптическиесистемысвязи
В настоящее время обменинформацией между континентами осуществляется главным образом через подводные волоконно-оптическиекабели, а не через спутниковую связь. Интернет — главная движущая сила развитияподводных волоконно-оптических линий связи, при этом его потребности в подобныхсистемах со все большими скоростями передачи информации пока не удовлетворены.
Подводные кабели связи существуютуже без малого 150 лет. В 1851 г. инженер по фамилии Брет проложил первый подводныйкабель через Ла-Манш, соединив таким образом телеграфной связью Англию с континентальнойЕвропой. Это стало возможным благодаря изобретению гуттаперчи — вещества, способногоизолировать в воде провода, несущие ток. В 1857-1858 гг. американский бизнесменСайрус Филд разработал фантастический проект сообщения Европы с Северной Америкойс помощью телеграфного кабеля и осуществил его прокладку по дну Атлантического океана.Несмотря на огромные технические и финансовые трудности, после ряда неудач телеграфнаялиния с 1866 г. начала устойчиво работать. Интересно отметить, что скорость передачиинформации составляла всего 17 слов в минуту. Но значение этого достижения заключалосьв другом: была продемонстрирована техническая возможность прокладки кабеля по днуокеана, что было совсем не очевидным в то время. И это в большой степени предопределилопоследующие успешные работы в данном направлении. В 1956 г. был проложен первыйтелефонный коаксиальный кабель, а в последующие годы — еще несколько, с большейпропускной емкостью, чтобы удовлетворить потребности в передаче информации междуСтарым и Новым светом.
Наконец, в 1988 и 1989 гг.были установлены первые трансатлантическая и транстихоокеанская волоконно-оптическиесистемы со скоростью передачи информации по паре световодов 280 Мбит/с, при этомв качестве ретрансляторов использовались электронные усилители. Постепенно скоростьувеличилась до 2.5 Гбит/с, а вместо электронных ретрансляторов стали применятьсяэрбиевые волоконные усилители. В 90-е годы проложено более 350 тыс. км волоконно-оптическогокабеля, он связывает более 70 стран мира.
/>
Рис. 3. Спектр оптическихпотерь волоконного световода
Есть ли пути для дальнейшегорезкого увеличения информационной емкости волоконно-оптических систем связи? Есть.Существуют два подхода к решению этой проблемы: расширение спектральной областии увеличение скорости передачи информации индивидуального канала. На рис. 3 показанспектр оптических потерь волоконного световода на основе кварцевого стекла. Цифрами1-5 обозначены так называемые «окна прозрачности», в которых осуществляласьоптическая связь по мере ее развития (1-3), а также спектральные области, которыебудут использоваться для передачи информации в недалеком будущем (4,5). Практическивсе современные системы связи работают на волнах около 1.3 и 1.55 мкм, во 2-м и3-м окнах прозрачности. Экспериментальные системы со спектральным уплотнением каналовиспользуют в настоящее время спектральную область 1530-1610 нм (шириной около 80нм). Пунктиром показано поглощение, обусловленное гидроксильными группами в стекле.Успехи в технологии волоконных световодов позволили убрать полосу такого поглощения,в результате спектральная область с оптическими потерями
Учитывая исключительно быстрыйпрогресс в развитии волоконно-оптической связи, когда новые результаты превосходятвсе ожидания, можно с большой долей уверенности предположить, что использованиеспектральной области 1.2-1.7 мкм (или более широкой: 1.0-1.7 мкм) позволит в будущемполучать скорости передачи информации ~1 петабит/с (1015 бит/с). Ясно, что для этогопотребуются обширные фундаментальные исследования и разработка новой элементнойбазы, в частности, необходимы оптический усилитель с полосой усиления порядка несколькихсотен нано-метров и новые типы волоконных световодов.
4.Нове типыодномодовыхволоконних световодовдля перспективних линийсвязи
Данная глава посвящена вопросусоздания новых типов одномодовых волоконных световодов (ОВС) для перспективных линийсвязи. Рассмотрены две новые структуры профиля показателя преломления (ППП) ОВС.Разработанные структуры ППП могут быть использованы в новейших волоконно-оптическихсистемах.
Рост спроса в увеличениипропускной способности информационных линий связи приводит к неизбежному поискуновых решений для построения новейших волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Кнастоящему времени многие ведущие лаборатории мира занимаются вопросом созданияВОЛС со скоростью передачи на канал 40 Гбит/с (STM-256) и выше. В данной главе рассмотреныдве принципиально новые структуры ППП, которые могут быть использованы в построенииперспективных ВОЛС.
Хроматическая дисперсияявляется одной из важнейших параметров ОВС и ее необходимо учитывать при созданииВОЛС. Хроматическая дисперсия в волоконных световодах может быть представлена ввиде двух основных компонент: материальной и волноводной. Материальная компонентахроматической дисперсии зависит, главным образом, от выбора матрицы стекла, из которогоизготовлен данный волоконный световод. Волноводная компонента в свою очередь определяетсярадиальной зависимостью ППП данного световода. Следовательно, можно подобрать ПППтаким образом, что в результате получим необходимую зависимость хроматической дисперсиив интересующем интервале длин волн. В данной работе выбор новых структур проводилсяна основе расчетов по решению скалярного волнового уравнения по заданному модельномупрофилю показателя преломления.
Компьютерное моделированиепоказало, что существует возможность создания ОВС с высоким процентным содержаниемGe в сердцевине (более 20 мол.%), имеющем нулевое значение хроматической дисперсиив области 1550 нм. Увеличение содержания Ge в сердцевине, уменьшение эффективнойплощади пятна моды и смещение нулевой длины волны хроматической дисперсии в область1550 нм позволило увеличить чувствительность нового типа ОВС к нелинейным эффектампо сравнению с существующими сегодня германосиликатными ОВС.
Другим новым типом световодовявляется ОВС, который обладает плоской спектральной зависимостью дисперсии, причемплоская зависимость хроматической дисперсии сохраняется при изменении диаметра световодав процессе вытяжки. Данный тип ОВС может быть использован при создании новых источниковизлучения на основе эффекта генерации суперконтинуума. Следует отметить, что изготовлениеновых типов световодов, особенно ОВС с изменяющейся плоской дисперсией, представляеттрудоемкий процесс, так как любые отклонения в ППП при изготовлении заготовки будущегосветовода приводят к изменению оптических характеристик, и первую очередь – к изменениюдисперсионных характеристик.
5.Требованияк волоконнымсветоводамдля линийсвязи
Все преимущества ВОЛС вытекаютиз физических принципов, на которых основана волоконно-оптическая технология. Передачаинформации по волоконным световодам имеет особенности, не присущие другим средствамкоммуникации, потому целесообразно рассмотреть основные физические принципы функционированияодномодовых и многомодовых световодов.
/>
5.1 Принципы передачи информациив волоконных световодах
Известно, что в разных средахлуч света распространяется с разной скоростью: в стекле — быстро, в воздухе — быстрее,в вакууме — быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частичноотражается, частично преломляется. Угол отраженного луча равен углу падающего, аугол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред (отметим,что все углы измеряются от нормали к поверхности). Согласно закону Снеллиуса, произведениясинуса угла падающего и преломленного луча на соответствующие показатели преломлениясред равны.
Поставим теперь условие,чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы раздела.Так как при этом g = 90°, то нетрудно вычислить так называемый критическийугол (рис.4):
Sin αкр= n2/n1
n1 — показатель преломления сердцевины волокна
n2 — показатель преломления оболочки волокна
Эта формула объясняет «эффектполного отражения», на котором основана вся волоконно-оптическая технология.Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред (первая из которыхдолжна иметь больший показатель преломления, чем вторая), под углом, большим критического,полностью отражается.
/>
Рис. 4. Эффектполного отражения
Если же луч не просто попадаетна границу двух сред, а проходит в цилиндрическом волоконном световоде (оптоволокне)между параллельными стенками, то при угле входа больше критического, он «навсегда»останется в световоде:
NA= Sin φкр
Величина NA — однаиз главных характеристик оптоволокна, называемая числовой апертурой (NA, numericaperture).
Здесь φкр = 90°- αкр представляет критический угол, измеряемый относительно оси световода.
Приведенную формулу апертурыудобно привести к другому виду:
NA = √2n·Δn
где n — среднее арифметическоепоказателей преломления сердцевины nс и оболочки nоб, а Δn= nc — nоб их разность.
Если на входе световодаимеется изотропный источник, излучающий равную мощность во всех направлениях и приэтом имеющий диаметр, меньший, чем диаметр световода, то доля мощности источникаK, вводимой в световод, будет пропорциональна квадрату апертуры:
K = (NA)2
Значит, чем больше апертура,тем большая доля излучения источника попадает в световод и тем мощнее сигнал. Напрактике апертуру можно увеличить за счёт параметра Δn, используя, например,стеклянную сердцевину без оболочки. Но при этом возникают две проблемы. Во-первых,при полном внутреннем отражении часть световой волны проникает сквозь отражающуюповерхность. Вторая проблема связана с возникновением мод.
Кроме перечисленных, естьещё несколько параметров, которые определяют качество волоконно-оптических линийсвязи, а значит, и области их применения.
Затухание.Этот параметр определяет потери интенсивности светового сигнала в волоконном световодеи измеряется в обычных для линий связи единицах — дБ/км (децибел на километр). Затуханиепроисходит, в основном, по двум причинам: из-за поглощения и рассеивания.
Поглощение связано с возбуждениемв материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличиваетсятепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как отсвойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волныисточника света.
Рассеивание меньше зависитот свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формыоптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидаетоптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала,из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, таккак часть сигнала, вопреки теории, распространяется в ней. Бороться с этим можноза счёт нанесения на оболочку поглощающего покрытия.
Подчеркнем, что затухание(поглощение) во многом зависит от длины волны светового сигнала. Причем экспериментальноустановлено три «окна», в которых поглощение заметно уменьшается — это0,85 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм (чем больше длина волны, тем меньше потери от затухания).Данные длины волн, относящиеся к инфракрасному диапазону, рекомендованы МКТТТ дляиспользования (и используются) в волоконно-оптических линиях связи. Если в первыхволоконно-оптических линиях связи использовались источники с длиной волны 0,85 мкм,то сейчас на этой длине работают только небольшие волоконно-оптические сети. В магистральныхВОЛС сейчас используются лазеры с длиной волны излучения 1,55 мкм.
/>
5.2 Основные виды волоконныхсветоводов
Рассмотрим, как световойсигнал распространяется в световоде. Из-за многократного отражения луча от стеноксветовода, световой импульс, пройдя по оптоволокну, трансформируется в серию мод.При этом в конечную точку могут прийти лучи, которые вошли в световод в один и тотже момент времени, но под разным углом. Как следствие, эти лучи (моды) проходятразные расстояния и «появляются на приемном конце» не одновременно. Этоявление получило название межмодовой дисперсии. Чем больше длина оптоволокна, тембольше будет разброс по времени прибытия, тем меньше будет полоса пропускания.
В приближении геометрическойоптики точечный излучатель у одного из торцов оптоволокна может быть трансформированв решетку синфазных излучателей, находящихся друг от друга на расстоянии, равномдиаметру оптоволокна. Диаграмма направленности каждого из излучателей ограниченауглами полного внутреннего отражения, и, в зависимости от расстояния между ними(или диаметра оптоволокна), набег разности фаз между излучателями может быть достигнуттолько в одном направлении (случай одномодового волокна) или сразу в нескольких(многомодовое волокно). В указанных направлениях излучения от излучателей будутскладываться синфазно, образуя распространяющиеся волны или, иначе говоря, моды.Ясно, что для того, чтобы достичь другого торца волновода, разным модам придетсяпройти разное расстояние. В зависимости от способа борьбы с межмодовой дисперсиейвсе оптические волокна можно разделить на несколько подвидов:
— многомодовые ступенчатые
— многомодовые градиентные
— одномодовые.
/>
5.2.1 Многомодовые волоконныесветоводы
В случае многомодового волокнадиаметр сердечника (50…1000 мкм) по сравнению с длиной световой волны (1300 нм)относительно большой. Свет может распространяться в волокне в различных направленияхили модах, что и определяет название многомодовых световодов.
Многомодовыеступенчатые волоконные световоды
В волокне с шаговым индексомкоэффициент преломления (возможность материала отражать свет) постоянен по всемусечению сердечника. Это приводит к тому, что лучи света, распространяются в нем,так как показано на рис. 5.
/>
Рис.5. Распространениеизлучения в ступенчатом многомодовом волоконном световоде(1 – входной импульс; 2 – дисперсия; 3 – выходнойобласти; 4 – коэффициент преломления; 5 – мода высокого порядка; 6 – мода низкогопорядка).
В многомодовом волокне лучисвета, соответствующие различным модам, проходят различные дистанции. Если в такоеволокно ввести короткий импульс света, то его лучи прибудут на противоположный конецчерез различные промежутки времени, и выходной импульс будет шире, чем входной.Это явление называют модовой дисперсией. Она ограничивает число импульсов в секунду,которые могут быть переданы через волокно и все ещё распознающихся на противоположномторце, как отдельные импульсы. По этой причине пропускная способность волокна сшаговым индексом невелика и составляет 20…30 МГц для кабеля длиной 1 км. Ступенчатыеволокна вследствие их дешевизны наиболее привлекательны для использования в локальныхсетях и даже в домашнем быту.
Многомодовыеградиентные волоконные световоды
За счёт сложного легированияоптоволокна можно добиться плавного уменьшения показателя преломления от центрак оболочке волокна. Тогда моды, хотя и будут по-прежнему проходить разные пути,но делать это за одинаковое время. Погонная полоса пропускания по сравнению со ступенчатымволокном заметно увеличивается, до 100…1000 МГц/км.
Показатель преломления градиентныхволокон обычно имеет параболический профиль, который получают, вводя в однороднуюстеклянную нить специальные добавки. В результате, при прочих равных условиях, числораспространяющихся мод уменьшается примерно в два раза в сравнении со ступенчатымволноводом.
Волоконно-оптические линиисвязи на многомодовом волокне обладают интересным свойством: полоса пропусканиялинейно зависит от длины кабеля, поэтому её измеряют не в абсолютных, а в удельныхпоказателях, обычно в МГц·км. Так, волоконно-оптический кабель с характеристикой100 МГц·км при длине 100 м будет иметь полосу пропускания 1 ГГц. Понять причинуэтого свойства нетрудно, рассмотрев, какое расстояние пройдет луч (мода) в зависимостиот угла входа в световод (рис.6).
/>
Рис.6.Распространениеизлучения в градиентном многомодовом волоконном световоде (1 – входной импульс;2 – дисперсия; 3 – выходной области; 4 – коэффициент преломления)
Пусть в момент t = 0на входе оптического волокна подается световой импульс. Его лучи будут распространятьсяв разных направлениях. Заданное расстояние L быстрее всех пройдет луч, идущийвдоль оси (φ=0). Последним придет луч, вошедший под критическим углом(φ = φкр). Величина запаздывания между ними определяется как
ΔT = (n1/n2)(L/c)Δn
где с — скоростьсвета в оптоволокне.
Лучи, вошедшие в волноводпод углом 0 φ φкр, придут с запаздыванием в интервале 0…ΔТ. Таким образом, следующий импульс не может быть принят, пока не «утихнут»моды предыдущего. Удельная пропускная способность (от нее можно перейти к полосепропускания) может быть вычислена так:
ΔT/L = (n1/n2)(Δn/c)
Эта формула не являетсяточной, так как основана на предположении об идеальности источника света, световодаи фотоприёмника. С её помощью можно давать только приблизительные оценки пропускнойспособности. Например, при Δn = 1% (реальное ступенчатое оптоволокно)пропускная способность составит ΔT/L = 3,3·10-8 мкс/км (или погоннаяполоса пропускания 300 МГц·км).
Для многомодового волокнас последовательным индексом коэффициент преломления плавно (последовательно) изменяетсяот максимума в самом центре до минимума по краям. Такая конструкция использует тотфакт, что свет распространяется быстрее в материалах с низким коэффициентом преломления,чем в материалах с высоким коэффициентом. Поэтому световой импульс, распространяясьв таком волокне, имеет гораздо меньшую модовую дисперсию, а кабель за счёт этого- гораздо большую погонную полосу пропускания от 100 МГц·км до 1300 МГц·км. Наиболеепопулярный тип многомодового волокна, используемого в локальных компьютерных сетях,обычно обозначается как MM 62.5/125. Здесь ММ означает MultiMode или многомодовоеволокно с диаметром сердечника 62,5 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.
Из-за сложного процессаизготовления, градиентное оптическое волокно относительно дорого (даже дороже, чемодномодовое волокно), но зато пассивные элементы для него — не такие дорогие, какдля одномодового волокна. Многомодовые градиентные волокна используются в небольшихи средних телекоммуникационных системах, например, в локальных сетях.
/>
5.2.2 Одномодовые волоконныесветоводы
Количество мод в существеннойстепени зависит от диаметра волокна. Так что если диаметр волокна окажется сравнимымс используемой длиной волны, то по волокну будет распространяться только одна мода(рис.7).
/>
Рис.7.Одномодовыйволоконный световод
Для точного вычисления максимальногодиаметра одномодового волокна можно воспользоваться формулой, которая определяетусловие одномодовости:
/>
где nс, nоб — показатели преломления сердцевины и оболочки;
λ — длина волны светового сигнала;
D — диаметр волокна.
В частности, для λ= 0,85 мкм, n = 1,46 и Δn = 0,002 одномодовое волокно должноиметь диаметр 8,5 мкм.
Из условия одномодовостивытекает важное следствие: оптоволокно некоторого малого диаметра при одной длиневолны источника света будет одномодовым, а при другой — многомодовым.
Для волоконно-оптическихлиний с одномодовым волокном, где межмодовая дисперсия отсутствует, строгой линейнойзависимости полосы пропускания от длины линии нет. Поэтому полоса пропускания этихлиний измеряется в абсолютных, а не в удельных величинах.
Свою лепту в уменьшениепропускной способности вносит не только межмодовая дисперсия, но и так называемаяхроматическая дисперсия (или дисперсия материала). Дело в том, что показатель преломления(скорость распространения света) зависит и от длины волны. Так как источники света(особенно светодиоды) испускают излучение в некотором диапазоне длин волн, то разностьскоростей распространения создает дополнительное размывание светового импульса наприёмном торце.
Полоса пропускания одномодовоговолокна составляет около 30 ТГц, что на несколько порядков больше, чем у первыхдвух видов, и мало зависит от длины. В магистральных линиях, вследствие ограниченийпо частоте, вносимых оптическими усилителями, она ограничена 3 ТГц. Для одномодовоговолокна диаметр сердечника составляет 8 мкм, что гораздо ближе к обычно используемойдлине волны 1300 нм. Это позволяет передавать свет одной нулевой модой и полностьюустранить эффект модовой дисперсии, о котором шла речь выше. Однако дисперсия присутствуети называется частотной, она связана с тем, что свет с разной длиной волн (разногоцвета) распространяется в волокне с различной скоростью. Таким образом, пропускнаяспособность такого кабеля хотя и увеличивается, но остается ограниченной ~ 100 ГГци в достаточно сильной степени зависит от спектральной чистоты источника света.Хотя такое волокно и позволяет передавать данные на гораздо большие расстояния — десятки километров, одномодовые системы достаточно дороги, потому что в качествеисточника света в них используют сравнительно дорогие лазеры с очень узким спектральнымсоставом излучаемого света. Наиболее популярный тип одномодового волокна обычнообозначается как SM 8/125. Здесь SM означает SingleMode или одномодовое волокнос диаметром сердечника 8 мкм и диаметром оболочки 125 мкм.
Сегодня одномодовые волокна,используемые в российских линиях, имеют затухание всего 0,22 дБ/км (оптическое волокноSumitomo имеет затухание 0,154 дБ/км), а в лабораториях США получено так называемоефтороцирконатное волокно с ещё меньшим затуханием — всего 0,02 дБ/км.
Одномодовые волокна, благодаряширокой полосе пропускания, находят применение в крупных информационных магистралях.Характеристики одномодовых волокон таковы, что можно смело утверждать, что в будущемони будет играть доминирующую роль. Вдобавок, как показывает опыт, высокотехнологическийпродукт быстро падает в цене, как только его начинают производить в больших масштабах.
6. Значение волоконных световодовдля связи
Мир вступает в третье тысячелетиеи одновременно в информационную эпоху, или тера-эру. Последнее название отражаетдостигнутый недавно уровень скоростей передачи и обработки информации — 1012 (тера)бит/с и 1012 операций в секунду соответственно. Информационная эра характеризуется,с одной стороны, непрерывно растущими потребностями мирового сообщества в обменеинформацией, а с другой — технической возможностью практически полностью удовлетворитьих.
История цивилизации — этои история развития средств связи и передачи информации, потребности в обмене которойвсегда превышали технические возможности. Поэтому любое государство особо заботилосьо развитии техники связи, вкладывая большие средства и используя новейшие достижениянауки и техники. В качестве примера можно привести полную драматизма историю прокладкителеграфного кабеля по дну Атлантического океана между Европой и Америкой в 1857-1858гг., через 20 с небольшим лет после изобретения телеграфа Самюэлем Морзе. Это событиемирового значения прекрасно описано Стефаном Цвейгом в новелле «Первое словоиз-за океана».
В этом же ряду — развитиерадио- и волоконно-оптической связи. Последние конференции по волоконно-оптическойсвязи — в 1999 г. в Сан-Диего (США) и в Ницце (Франция), а в марте этого года вБалтиморе (США) — продемонстрировали небывало бурное её развитие и выдающиеся результатыв увеличении скорости передачи информации по волоконному световоду.
Достижения в области источниковсвета, оптических усилителей, волоконных световодов и других элементов систем соспектральным уплотнением каналов позволили всем крупным телекоммуникационным фирмамразработать системы связи со скоростью передачи информации более 1 Тбит/с. Вот несколькорезультатов, которые дают представление об уровне работ в этой области:
— для фирмы Lucent TechnologyТ.Н.Нильсен с соавторами разработал систему из 40 каналов с общей скоростью передачиинформации 1.6 Тбит/с. Источниками излучения служили 40 полупроводниковых лазеровс распределенной обратной связью, а оптическим усилителем — гибридный (рамановский+ эрбиевый).
— французские исследователиС. Биго и другие (Alcatel Corporate Research Center) объединили в одном волоконномсветоводе 150 каналов, скорость передачи информации каждого из них -10 Гбит/с, асуммарная — 1.5 Тбит/с. Источники излучения — 150 полупроводниковых лазеров, оптическимусилителем служит специальный эрбиевый с полосой усиления 80 нм.
/>
Рис. 8. Изменение относительнойинформационной емкости систем связи за последние 100 лет
Из рис. 1 видно, что за90 лет информационная ёмкость линий связи возросла на пять порядков, начиная с первыхтелефонных линий, скорость передачи информации которых составляла 1 бит/с. Примернотакой же рост отмечен и за последние 20 лет — достигнута скорость порядка 1 Тбит/с.Масштабы развития волоконно-оптической связи действительно поразительны. Мировоепроизводство волоконных световодов в настоящее время составляет 60 млн. км/год,то есть каждую минуту в системах связи прокладываются более 100 км волоконных световодов.Все материки связаны между собой подводными волоконно-оптическими кабелями связи,общая длина которых достаточна, чтобы обмотать земной шар шесть раз. Разработкаширокополосных оптических усилителей привела к созданию в конце 90-х годов экспериментальныхволоконно-оптических систем связи со спектральным уплотнением 100 и более каналов,что позволило достичь суммарной скорости передачи информации более 1 Тбит/с. Этобыло отмечено на европейской конференции по данной теме в сентябре 1999 г. в Ницце.
Нет никаких сомнений, чтов ближайшие годы волоконно-оитические системы со скоростями передачи информации>1 Тбит/с найдут широкое коммерческое применение. Однако уже сейчас ясно, чтои эти скорости не смогут удовлетворить наши растущие потребности. Ведь известно,что число пользователей Интернета постоянно растет: в 1998 г. их было около 25 млн.человек, в 1999 г. — 144 млн.; видимо, уже скоро эта цифра возрастет на порядок.В России число зарегистрированных пользователей Интернета в 1999 г. составило 2.5млн. человек. Портативный персональный компьютер с выходом в сеть Интернет станеттаким же необходимым и доступным инструментом для получения информации, развлеченийи общения, как телевизор и телефон.
Мир вступил в информационнуюэру. Это означает, что уровень развития любой страны будет определяться прежде всегоуровнем информатизации.
Вывод
Таким образом, волоконныесветоводы активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстоянияи в широкой полосе частот. Наибольшее применение волоконные световоды нашли в локальныхкомпьютерных сетях (как в домашних, так и на производствах), кабельном телевидении,волоконно-оптических линиях связи.
Использование волоконныхсветоводов позволит удовлетворить потребность в высокоскоростных линиях передачиданных, а также в обеспечении долговременного запаса прочности на будущее; стремлениедостигнуть максимальной защищенности от помех и от несанкционированного доступаизвне.
Масштабы развития волоконно-оптическойсвязи действительно поразительны. И новые результаты в скорости передачи информациис помощью волоконных световодов не заставят себя долго ждать.
Используемаялитература
1.Волоконная оптика в измерительной ивычислительной 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. Техническоеруководство по волоконной оптике. — М.: ЛОРИ, 1998.
4.Квєтний Р.Н. Математичні моделірозповсюдження хвиль у волоконних світловодах: Монографія/ Р.Н.Квєтний,Коцюбинський. – Вінниця: універсам, 2003.
5.Матвеев А.Н. Оптика [Учебн. Пособиедля физ.спец. вузов]. – М.: Высшая школа, 1985.
6.Одномодовые волоконные световоды смодифицированной 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