НАПРАВЛЯЮЩИе СИСТЕМы ПЕРЕДАЧИ ВОЛС
1. ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛСПЕРЕД ДРУГИМИ НАПРАВЛЯЮЩИМИ СИСТЕМАМИ ПЕРЕДАЧИ
Оптическое волокно внастоящее время считается самой совершенной физической средой для передачиинформации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоковинформации на значительные расстояния. Основанием для такого заключенияявляется ряд особенностей, присущих оптическим волокнам.
Физические особенности:
1. Стекловолокно обладаетзначительной широкополосностью, которая обусловлена чрезвычайно высокойчастотой несущей 1014 Гц. Это означает, что по оптическим линиямсвязи можно передавать информацию со скоростью порядка 1012 бит/с.Другими словами по одному стекловолокну можно передать одновременно 10милиионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. В оптическом волокнемогут распространяться световые сигналы двух разных ортогональных поляризаций,что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. Насегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическомуволокну не достигнут.
2. Стекловолокно обладаеточень малым затуханием (по сравнению с другими средами). Лучшие образцыроссийского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, чтопозволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные»,так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основетаких волокон могут быть созданы линии связи с регерационными участками через 4600 км при скорости передачи 1 Гбит/с.
Технические особенности:
1. Волокноизготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широкораспространенного, а поэтому недорого материала, в отличие от меди.
2. Оптические волокнаимеют диаметр около 100 мкм, т.е. очень компактны и легки, что делает ихперспективными для использования в кабельной технике.
3. Секловолокна неявляются металлом, поэтому при строительстве систем связи автоматическидостигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик,на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащиеметалла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можномонтировать, например, на опорах контактной сети, экономя значительные средствана прокладку кабеля и организацию переходов через реки и другие преграды.
4. Системы связи наоснове оптических волокон устойчивы к электромагнитным полям, а передаваемая посветоводам информация защищена от несанкционированного доступа.
5. Важным свойствомоптического волокна является долговечность. Время жизни волокна превышает 25лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по меренеобходимости, наращивать пропускную способность канала путем заменыпередатчиков и приемников на более быстродействующие.
Эффективность применениятех или иных линий связи во многом зависит от потребного количества каналов.Известно, что с увеличением числа каналов стоимость 1 кан.-км линии связиснижается. Целесообразность применения различных направляющих систем передачи взависимости от потребного числа каналов приведена на рис. 1.
Как видно из рисунка,самой дешевой является связь по световоду и волноводу, затем идет коаксиальныйкабель, и наконец, самой дорогой является связь по воздушным линиям. Оптическиекабели целесообразно применять при потребности в 1000 и более каналов.Рассмотрим сравнительную стоимость 1 кан.-км для цифровых систем передачи
/>
/>
Из рисунка видно, что посравнению с электрическим кабелем стоимость связи по оптическим кабелям падаетс ростом числа каналов в более резкой зависимости. Оптические системы посравнению с электрическими дороже при небольшом числе каналов и дешевле прибольшом числе каналов. В настоящее время экономически целесообразными являютсяВОЛС со скоростью 34 Мбит/с и выше.
Однако, в волоконнойтехнологии есть и свои недостатки:
1. При создании линиисвязи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрическиесигналы в оптические и наоборот, производство которых стоит очень дорого.
2. Другой недостатокзаключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, опотому дорогое технологическое оборудование.
3. Как следствие, приаварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем приработе с традиционными кабелями с медными жилами.
Тем не менее преимуществаот применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, чтонесмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, данные линии связивсе шире используются для передачи информации.
2. СТРУКТУРНЯ СХЕМАВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Структурная схемапередачи информации по оптическим кабелям приведена на рис. 3.
/>
Информация, передаваемаяабонентами через передатчик, поступает на электрооптический преобразователь(ЭОП), роль которого выполняет лазер (Л) или светодиод (СД). Здесьэлектрический сигнал преобразуется в оптический и направляется в ОК. На приемеоптический сигнал поступает в оптико-электрический преобразователь (ОЭП), вкачестве которого используется фотодиод (ФД), преобразующий оптический сигнал вэлектрический. Таким образом, на передающей стороне от передатчика до ЭОП, атакже на приемной стороне от ЭОП до приемника действует электрический сигнал, аот ЭОП до ОЭП по оптическому кабелю проходит оптический сигнал.
Электрический сигнал,создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую, и вмодулируемом виде световой сигнал передается по оптическому кабелю. В основномиспользуется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при котором отапмлитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, передаваемая в ОК.
Оптические системыпередачи, как правило являются цифровыми (импульсными). Это объясняется тем,что передача аналоговых сигналов требует высокой степени линейностипромежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах.
Через определенныерасстояния (5, ...., 100 км), обусловленные энергетическим потенциаломаппаратуры и величиной потерь в ОК, вдоль оптической линии располагаютсялинейные регенераторы (ЛР), в которых сигнал восстанавливается и усиливается дотребуемого значения. Кроме того, для преобразования кода и согласованияэлементов схемы имеются кодирующие устройства — преобразователи кода (ПК) исогласующие устройства (СУ). Преобразователь кода формирует трубуемуюпоследовательность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощностимежду электрическими и оптическими элементами схемы ( от аппаратуры ИКМпоступает высокий уровень, а для электропреобразователей необходим весьма малыйуровень). Передающие и приемные согласующие устройства формируют исогласовывают диаграммы направленности (диаграмма направленности — это телесныйугол, в котором действует максимальная интенсивность излучения) и апертурныйугол между приемопередающими устройствами и кабелем. Применяются такжеустройства ввода и вывода излучения, сростки, для сращивания оптических волокони кабелей, направленные ответвители, фильтры и другие элементы оптическоготракта.
3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯСВЕТОВОДОВ. ТИПЫ СВЕТОВОДОВ
Волоконный световод представляетсобой тонкую двухслойную стеклянную нить (сердечника и оболочки), каждыйэлемент которой обладает различным показателем преломления. Показательпреломления (n) прозрачного вещества представляет собой отношение скоростисвета в вакууме (с) к скорости света в данном веществе (v), то есть n=c/v.Кроме того, показатель преломления зависит от параметров среды и рассчитываетсяпо формуле:
/>,
где /> и /> - относительныесоответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости.
Учитывая, чтоотносительная магнитная проницаемость прозрачного вещества обычна постоянна иравна единице, показатель преломления определится: для сердечника />, для оболочки />. Показатель преломленияоболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечнойкоординаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.
Для передачиэлектромагнитной энергии по световоду используется известное явление полноговнутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтомунеобходимо, чтобы n1>n2.
/>
Рассмотрим случай, когдалуч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n1,встречает границу раздела со средой, имеющей меньший показатель преломления n2(рис. 4).
В соответствии с закономСнеллиуса />, угол /> в среде с меньшимпоказателем преломления больше, чем угол падения /> .При возрастании /> возрастает и />, и поскольку />больше />, /> станет равным 900раньше, чем />. Угол падения, длякоторого преломленный луч скользит по поверхности раздела ( то есть, длякоторого />=900),называется углом /> полноговнутреннего отражения. Угол полного внутреннего отражения рассчитывается поформуле (см. закон Снеллиуса, полагая, что />=900):
/>.
Если угол падения больше />(луч 3), то луч не заходитво вторую среду, а полностью отражается вовнутрь первой среды. Именно этотпринцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводитьсвет.
/>
В зависимости от величиныугла />, который образует с осьюлучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рис. 3),возникают волны излучения 1, волны оболочки 2 и сердечника 3. В сердечнике иоболочке существует два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются внекоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода непересекаются. Здесь показаны только мердиональные лучи. Если угол паденияэлектромагнитной волны на границу сердечник-оболочка больше угла полноговнутреннего отражения, то луч полностью отражается на границе и остается внутрисердечника (луч 3).
Такое объяснениенаправляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитываетсвойств света как электромагнитной волны. Учет волновых свойств позволилустановить, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полноговнутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей сдискретными углами может образовывать направляемые волны, которые называюттакже волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двухпоследовательных переотражений от границы сердцечник-оболочка волны должны бытьв фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерфирируют так, что гасятдруг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нееструктурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.
Волны излучениярапределяются непрерывно по всей принадлежащей им области углов и образуютнепрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения — паразитные волны,которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию,передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно полностью исключить привозбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрическихнерегулярностях световода и неоднородностях материала.
В зависимости от числараспространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяют на одно- имногомодовые. Число мод зависит от соотношения диаметра сердечника световода идлины волны и рассчитывается по формуле
/>,
где а- радиус сердечникаволокна,
/> - длина волны света,
/> - относительная разностьпоказателей преломления.
/>.
Так как n1 и n2имеют очень близкие значения, номинальная величина /> длябольшинства оптических волокон находится в пределах />=0,28 — 2,1%.
Достоинством одномодовыхсветоводов являются малая дисперсия (искажение сигналов), большаяинформационно-пропускная способность и большая дальность передачи. Одномодовыесистемы являются наиболее перспективным направлением развития техники передачиинформации.
В многомодовых световодахимпульс на приеме уширяется и искажается. Дисперсия в многомодовых световодахсущественно ограничивает полосу передаваемых частот и дальность передачи.
Для характеристиксветовода важное значение имеет профиль показателя преломления в поперечномсечении. Если сердечник световода имеет постоянное по радиусу значениепоказателя преломления, то такие световоды называются световодами соступенчатым профилем показателя преломления (наблюдается ступенька n на границесердечник-оболочка).
/>
Для борьбы с уширениемимпульсов в оптических волокнах со ступенчатым профилем показателя преломленияразработан другой тип многомодового волокна, который нашел гораздо болееширокое применение в дальней связи — оптические волокна с градиентным профилемпоказателя преломления. В таких стекловолокнах показатель преломления от центрасердечника к краю изменяется плавно. Ход лучей в градиентном световоде показанна рис. 6.
Лучи теперь изгибаются внаправлении градиента показателя преломления (вместо преломления либо полногоотражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем).
В показатель преломлениядля градиентных световодов описывается функцией
/>,
где r — текущий радиус;
n1 — наибольшее значение показателя преломления сердечника;
g — коэффициент,определяющий вид профиля показателя преломления.
При g=/> формула описываетступенчатый профиль показателя преломления. При g=2 световоды называютпараболическими, так как профиль показателя преломления описывается параболой.На практике волокна с градиентным профилем показателя преломления имеют g около1.92 и почти параболический профиль.
Одномодовые волокна можноразделить на две категории: обычные или волокна с несмещенной дисперсией,которые выпускаются для аппаратуры, работающей на длине волны 1,3 мкм, иволокна со смещенной дисперсией, которые выпускаются для работы на длине волны1,55 мкм. Понятия смещенной или несмещенной дисперсии связаны с длиной волны,на которой волокно имеет наибольшую полосу пропускания.
/>
В отличии от многомодовыхволокон, одномодовые волокна выпускают с различным профилем показателяпреломления оболочки. При этом различают волокна с выровненной оболочкой, показательпреломления которой соответствует показателю преломления стекловолокон соступенчатым профилем и выровнен с показателем преломления чистого кварца, ивдавленной оболочкой, в которой материал оболочки состоит из двух зон (рис. 7).Показатель преломления (n3) внутренней, соседней с сердечником зоныимеет значение меньше или вдавлен относительно показателя преломления внешнейзоны, который равен показателю преломления чистого кварца (n2).
В волокнах со смещеннойдисперсией показатель преломления сердцечника имеет более сложную форму. Нарис. 8 приведены примеры профилей показателей преломления для выровненной ивдавленной оболочками и труегольным профилем показателя преломления сердечника.
/>
В одномодовых волокнах сосмещенной дисперсией для сложных профилей показателя преломления определениедиаметра сердечника представляет определенные трудности, поэтому для такихсветоводов вводится понятие диаметра поля моды. Учитывая, что интенсивностьсвета по сечению сердечника одномодового световода распределена неравномерно иподчиняется, как правило, нормальному закону, то радиальное расстояние, накотором интенсивность падает в 1/е2 = 0,135 относительно пиковогозначения называется радиусом поля моды и обозначается />. Удвоенная величина 2/> и представляет собойдиаметр поля моды (рис. 9).
Важной характеристикойсветовода является числовая апертура NA (Numerical Aperture), котораяпредставляет собой синус от апертурного угла />.Апертурный угол — это угол между оптической осью и одной из образующихсветового конуса, воздействующего на торец световода.
/>
Таким образом />,
где n0 — показатель преломления окружающей среды.
В соответствии с закономСнеллиуса />, имеем
/>
От значения NA зависятэффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери намикроизгибах, дисперсия иимпульсов, число распространяющихся мод.
Нетрудно убедиться, чтомежду числовой апертурой и относительной разностью показателей преломлениясуществует связь
/>
Чем больше у волокон />, тем больше NA, чем легчеосуществлять ввод излучения от источников света в световод.
4. ПЛАНАРНЫЙ СВЕТОВОД
Планарный световодявляется основой почти всех устройств интегральной оптики: модуляторов,переключателей, дефлекторов света, микролазеров, соединителей, фильтров,направленных ответвителей и т.д. Он состоит из планарной пленки или полоски смалым оптическим поглощением и показателем преломления (n1) выше,чем у подложки (n2) и окружающей среды (n0) (рис.10).Т.е. />
оптическийволокно планарный световод
/>
Исходя из того,испытывает ли однородная плоская волна преломление, либо полное внутреннееотражение, что зависит от угла наклона луча />,различают три вида волн (рис.11).
/>
Пространственная волнаможет приходить из пространства 0. Так как n1>n2>n0, то она не отражается полностью ни на одной из граничных поверхностей. Такиепространственные волны могут также приходить из подложки или от любогоисточника, находящегося в пленке; для них характерен только угол падения />, превышающий граничныйугол полного отражения на границе пленки и внешнего пространства.
Волны подложки могутприходить из подложки; после преломления в пленке их угол падения настолькомал, что на границе со свободным пространством они полностью отражаются. Однакоэти волны могут быть также возбуждены источниками в пленке.
Для волн пленки угол /> настолько мал, что ониполностью отражаются от обеих границ. Только эти волны связаны с пленкой, и ихполя уменьшаются экспоненциально как в подложке, так еще сильнее во внешнемпространстве. В отличие от них, волны подложки излучаются через подложку, апространственные волны — как во внешнее пространство, так и в подложку. Полезныи важны только волны пленки. Волны подложки и пространственные волны являютсяпаразитными, создающими нежелательные и мешающие поля излучения, которых,однако, часто нельзя избежать при возбуждении волн пленки.
Таким образом, волнапленки многократно отражается от границ под углом/> ираспространяется по зигзагообразной траектории.
Пространственная волна иволна подложки могут иметь любой угол /> всоответствующем им диапазоне углов, что приводит к образованию непрерывногомножества волн. Волны пленки, наоборот, могут иметь в области /> только конечное числодискретных значений. Число распространяющих волн при этом рассчитывается поформуле
/> ,
где d — толщина пленки.
Чем меньше разностьпоказателей преломления, тем меньше число распространяющихся мод при той жетолщине пленки.
Выбор и подготовкаматериалов пленки и подложки, метод нанесения пленки должны обеспечиватьполучение однородной структуры с малым поглощением и рассеянием. Для пленок,работающих только в качестве пассивных волноводов и не выполняющих никакихактивных функций, например усиления либо модуляции, необходимо только малоезатухание. Такие пленки изготавливаются из аморфных материалов, а именно стеклаили таких синтетических материалов, как полиуретан, полиэфирный эпоксид иорганические полимеры. В качестве подложки, как правило, применяют стекло, еслиинтегральное устройство не требует другого материала. Пленки с малыми потерямииз этих материалов толщиной от 1 до 10 мкм чаще наносят электронно-лучевымраспылением. Известны методы образования тонкого слоя в материале стекляннойпластны вследствии химической реакции замещения при температурах порядка 4000С. Затухание пленки для волн в красном и инфракрасном диапазонах недолжно превышать 1 дБ/км.
Рассмотренный типпланарных световодов относится к несимметричной конструкции, так как />. Во многих оптическихдеталях применяют простую симметричную пленку (рис. 12)
/>
Толщина такой пленкисоставляет d и показатель преломления — n1. По обе стороны от неепомещен материал с меньшим показателем преломления — n2 (n2=n0).Волны симметричной пленки состоят из пространственных волн с непрерывнымспектром, содержащим все углы />,превышающие угол полного отражения, и конечного числа волн пленки с дискретнымизначениями />.
Планарный диэлектрическийсветовод не обеспечивает удержание света в плоскости пленки. В некоторыхактивных приборах, таких как лазеры и модуляторы, ограничение областираспространения света очень желательно, поскольку при этом уменьшаетсяуправляющее напряжение. В этих целях применяются полосковые световоды, которыеудерживают свет в плоскости пленки (полоски). В качестве примера приведемчетыре возможных полосковых световода (рис. 13).
/>
Для изготовленияполосковых линий обычно применяют пленки с возможно малыми потерями. Для этого,например, на чистую подложку (с показателем преломления n2) напыляютсначала основной слой с низкими потерями (n1), а на него пленку с несколькобольшим показателем преломления (n3). Полоски нужной ширины и стребуемым расположением на плоскости получают затем фотолитографией из верхнейпленки. В результате получается линия с верхним расположением полосок (рис.13б).
Считают, что планарныесветоводы легче в изготовлении, тогда как полосковые элементы обеспечиваютбольшую компактность и универсальность.