Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КІРОВОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ВИННИЧЕНКА

КАФЕДРА ФІЗИКИ ТА МЕТОДИКИ ЇЇ ВИКЛАДАННЯ

КУРСОВА РОБОТА

на тему:

Волоконна оптика в науці та техніці

Студента ІІІ курсу 32 групи

Спеціальність: 6.040203 Фізика*

Спеціалізація: Інформатика

Високіх Анатолія Андрійовича

Керівник: кандидат педагогічних наук, доцент

Чінчой Олександр Олександрович

КІРОВОГРАД 2014



Анотація

волоконний оптика зв'язок кабель

Оптоволоконні мережі безумовно є одним з найперспективніших напрямів в галузі зв'язку. Пропускні здатності оптичних каналів на порядки вище, ніж у інформаційних ліній на основі мідного кабелю. Крім того оптоволокно несприйнятливе до електромагнітних полів, що знімає деякі типові проблеми мідних систем зв'язку. Оптичні мережі здатні передавати сигнал на великі відстані з меншими втратами. Незважаючи на те, що ця технологія все ще залишається дорогою, ціни на оптичні компоненти постійно падають, тоді як можливості мідних ліній наближаються до своїх граничних значень і потрібні все більші витрати на подальший розвиток цього напрямку. Завданням даного курсового проекту є опис основних технічних характеристик, структури, принципу дії, достоїнств ВОЛЗ.



Вступ

З початку розвитку комп'ютерної техніки пройшло небагато немало-шістдесят років. За цей час ми отримали такі швидкості обчислень, такі швидкості передачі даних, про які шістдесят років тому не можна було й мріяти. Все почалося з того, що в 1948 вийшли книги К. Шеннона "Математична теорія зв'язку" і Н. Вінера "Кібернетика, або управління і зв'язок в тварині і машині". Вони й визначили новий вектор розвитку науки, в результаті чого з'явився комп'ютер: спочатку ламповий гігант, потім транзисторний і на інтегральних схемах, на мікропроцесорах. І ось в 1989 році з'явився персональний комп'ютер IBM. У тому ж році вийшла програма MS - DOS, а в 1990 - Windows-3.0, і далі пішло стрімке вдосконалення "заліза" та програмного забезпечення. До кінця століття людство отримало приголомшливу мініатюризацію комп'ютерної техніки, скорочення відстані між комп'ютером і людиною, тотальне проникнення комп'ютерних технологій у побутову сферу. 1986 рік - народження Інтернету, глобальної мережі, що охопила практично всі країни світу, що поставляє кожному користувачеві поточну інформацію. Отримавши настільки швидку обробку даних, люди дійшли висновку, що можна перестати втрачати час і гроші, також на передачу цих даних, а також збільшити швидкість доступу, і швидкість передачі даних. Це стало можливим завдяки використанню нових видів зв'язку, таких як оптичне волокно, що прийшли на заміну банальним алюмінієвим і мідним дротах. Історія розвитку волоконно-оптичних ліній зв'язку почалася в 1965-1967 р: хвильові лінії зв'язку для передачі широкосмугового інформації, а також криогенні надпровідні кабельні лінії з малим загасанням. З 1970 р. активно розгорнулися роботи зі створення світловодів і оптичних кабелів, що використовують видиме інфрачервоне випромінювання оптичного діапазону хвиль.

Тема про оптоволоконної лінії зв'язку, є актуальною на даний момент часу, так як число людей на планеті зростає, і потреби в покращення життя той же збільшуються. Ще з давніх часів людина вдосконалюється: покращує свої знання, прагне поліпшити життя, створюючи і моделюючи предмети побуту. І тепер багато фірм створюють телевізори, телефони, магнітофони, комп'ютера і багато іншого, тобто побутову техніку, що спрощуює життя людини. Але для впровадження цих нових технологій потрібно змінювати або поліпшувати старе. Як приклад цього можна навести наші лінії зв'язку на коаксіальному (мідному) кабелі, про які вже було згадано вище. Їх швидкість мала, навіть для передачі відеоінформації. А волоконна оптика якраз те, що нам потрібно - її швидкість передачі інформації дуже велика. Плюс, низькі втрати при передачі сигналу дозволяє прокладати значні за дальності ділянки кабелю без установки додаткового обладнання. Оптоволокно має хорошу перешкодозахищеність, легкість прокладки і довгі терміни роботи кабелю практично в будь-яких умовах. І, крім того, оптоволокно не має сенсу красти з метою здачі на металобрухт. В даний час оптоволокно знаходить своє застосування переважно в теле - і інтернет - комунікаціях. Але вважається, що сьогоднішнє використання оптоволокна лише вершина айсберга його застосування.



1. Волоконно-оптичні лінії зв'язку як поняття

Волоконна оптика є відносно молодою галуззю науки і техніки, і її визначення не можна вважати усталеним. Проте ми спробуємо його дати. Волоконна оптика (fiber optics) - це розділ оптики, в якому розглядається передача світла і зображення по свілтопроводам і хвилеводам оптичного діапазону, зокрема по багатожильним світловодам і пучкам гнучких волокон. Волоконно-оптичні лінії зв'язку - це вид зв'язку, при якому інформація передається по оптичних діелектричним хвилеводам, відомим під назвою "оптичне волокно ". Оптичне волокно нині вважається найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самим перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані. Наприклад, в даний час волоконно-оптичні кабелі прокладені по дну Тихого і Атлантичного океанів і практично весь світ "обплутаний" мережею волоконних систем зв'язку (Laser Mag.-1993. - № 3; Laser Focus World.-1992.-28, № 12; Telecom. mag.-1993. - № 25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992. - № 5). Європейські країни через Атлантику зв'язані волоконними лініями зв'язку з Америкою. США, через Гавайські острови і острів Гуам - з Японією, Новою Зеландією та Австралією. Волоконно-оптична лінія зв'язку з'єднує Японію і Корею з Далеким Сходом Росії. На заході Росія пов'язана з європейськими країнами Петербург - Кінгісепп - Данія і С.-Петербург - Виборг - Фінляндія, на півдні - з азіатськими країнами Новоросійськ - Туреччина. У Європі, також, як і в Америці, давно вже знайшли широке застосування практично у всіх сферах зв'язку, енергетики, транспорту, науки, освіти, медицини, економіки, оборони, державно-політичної та фінансової діяльності. Отже, підстави вважати оптоволокно найперспективнішою середовищем для передачі великих потоків інформації випливає з ряду особливостей, властивих оптичних хвилеводам.



1.1 Фізичні особливості

Широкополосність оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою несучою частотою. Це означає, що за оптичної лінії зв'язку можна передавати інформацію зі швидкістю порядку 1 Терабіт/с.

Кажучи іншими словами, по одному волокну можна передати одночасно 10 мільйонів телефонних розмов і мільйон відеосигналів. Швидкість передачі даних може бути збільшена за рахунок передачі інформації відразу в двох напрямках, так як світлові хвилі можуть поширюватися в одному волокні незалежно одна від одної. Крім того, в оптичному волокні можуть проходити світлові сигнали двох різних поляризацій, що дозволяє подвоїти пропускну здатність оптичного каналу зв'язку. На сьогоднішній день межа по щільності переданої інформації з оптичного волокна не досягнута. А це означає, що до цих пір при настільки сильній завантаженості нашого Інтернету не знайшлося стільки інформації, яка при одночасній передачі привела б до зменшення швидкості переданого потоку даних.

Дуже мале (в порівнянні з іншими середовищами) загасання світлового сигналу у волокні. Іншими словами втрата сигналу за рахунок опору матеріалу провідника. Кращі зразки російського волокна мають настільки мале загасання, що дозволяє будувати лінії зв'язку довжиною до 100 км без регенерації сигналів. В оптичних лабораторіях США розробляються ще більш "прозорі", так звані фтороцирконатні волокна. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регенераційних ділянками через 4600 км при швидкості передачі порядку 1 Гбіт/с.



1.2 Технічні особливості

Оптичне волокно являє собою діелектричний хвилевід, виготовлений з кварцового скла. Він має хвилеведучою серцевину з показником заломлення світла n1, оточену оболонкою з показником заломлення n2, причому n1> n2. Потрапляючи в хвилеведучою серцевину, світло поширюється в ній за рахунок ефекту повного внутрішнього відображення. Цей ефект має місце при падінні променя світла на межу розділу двох середовищ з середовища з великим показником заломлення n1 в середу з меншим показником n2, і спостерігається тільки до певних значень кута величина якого визначається відмінностями n1 і n2. Зазвичай світло вводиться в оптоволокно через торець. Гранична величина кута падіння променя світла на торець оптоволокна пов'язана з критичним кутом співвідношенням

=n₁*= (n₁₂ - n₂₂)=(2*n_В* D_n), де n_В=, а D_n=n₁ - n₂.

Величина NA==(2*n_В* D_n) називається числовий апертурою оптоволокна і визначає здатність оптоволокна збирати і передавати світло. Промінь світла, введений в оптоволокно під кутом меншим , буде поширюватися по всій довжині оптоволокна. Такий промінь називається веденої модою або просто модою. При підборі компонентів для оптоволоконних систем враховуються два параметри оптоволокна, що впливають на ефективність трансляції: ширина смуги пропускання і загасання.

· Ширина смуги - це параметр пропускної здатності волокна. Чим більше ширина смуги, тим більше інформаційна ємність. Пропускна здатність характеризується співвідношенням: частота/відстань (МГц/км). Наприклад, волокно 200 МГц/км здатне передавати дані в смузі 200 МГц на відстань до 1 км і в смузі 100 МГц на відстань до 2 км.

· Загасання. На додаток до фізичних змін імпульсів світла, що виникають через обмеженість смуги пропускання, також має місце зниження рівня оптичної потужності з міру проходження імпульсів по волокну. Такого роду втрати оптичної потужності або загасання вимірюється в децибелах на кілометр (дБ/км) на зазначеній довжині хвилі.

Втрати в оптоволокні: Випромінювання, використовуване в оптоволоконних системах, знаходиться в інфрачервоній частині оптичного спектру, в якому загасання при проходженні світла через волокно сильно залежить від довжини хвилі. Тому загасання або втрати потужності повинні вимірюватися для хвиль встановленої довжини для кожного типу волокна .Довжина хвилі вимірюється в нанометрах (нм) - мільярдна метра - і являє собою відстань між двома циклами однієї і тієї ж хвилі. Кількість втраченої оптичної енергії, викликане поглинанням і розсіюванням випромінювання на певній довжині хвилі, виражається як коефіцієнт загасання в децибелах на кілометр (ДБ/км). Втрати оптичної потужності на хвилях різної довжини відбуваються у волокні через поглинання і розсіювання. Оптимальний режим експлуатації волокна досягається на хвилях певної довжини. Наприклад, втрати менше 1 дБ/км характерні для волокна багатопроменевого типу 50/125 мм, що працює при 1300 нм, і менш 3 дБ/км типові для волокна цього ж типу, що працює при 850 нм.

Ці два діапазони довжин хвиль - 850 і 1300 нм є найпоширенішими і найбільш часто використовуваними сьогодні для передачі сигналу по скловолоконним кабелям. Для цих довжин хвиль промисловістю випускаються сьогодні передавачі та приймачі. Найкраща якість має скловолокно, яке працює в однопроменевому режимі при довжині хвилі 1550 нм.

Втрати на мікровигинах: Без відповідного захисту оптичне волокно схильне оптичним втрат, викликаним мікровигинах. Мікровигини - це тимчасові відхилення волокна, викликані поперечними навантаженнями, які тягнуть за собою втрати оптичної потужності в осерді. Для зведення до мінімуму впливу микровигинів застосовуються різні способи захисту волокна. На відміну від волокон ступеневої типу, волокна з сердечником крокової типу відносно стійкі до втрат при микровигинах.

Таблиця 1. Переваги вільного і щільного буферів

структура кабелю	параметри кабелю
	радіус вигину	Діаметр	міцність на розтяг, розрив	опір удару	опір тиску	зміна коеф. загасання при низьких температурах
вільний буфер	більше	більше	вище	нижче	нижче	нижче
щільний буфер	менше	менше	нижче	вище	вище	вище
breakout	більше	більше	вище	вище	вище	вище

Первинний захист волокна: Оптоволокно - дуже тонкий світловод. Зовнішні впливи призводять до появи мікрозігзагів і, відповідно, до додаткових втрат. Щоб ізолювати волокно від впливу зовнішніх сил застосовують два додаткових захисних шарів - вільний буфер і щільний буфер. Вільний буфер сконструйований таким чином, що волокно знаходиться в пластиковій трубці, у якої внутрішній діаметр значно більше, ніж саме волокно. Як правило, всередині пластикова трубка заповнюється гелем. Вільний буфер ізолює волокно від зовнішніх механічних пошкоджень, що впливають на кабель. Багатоволоконний кабель зазвичай складається з кількох таких трубок, кожна з яких містить одне або кілька волокон, об'єднаних закріплюють компонентами для захисту волокон від зовнішнього тиску та мінімізації розтягування.

Інший спосіб захисту волокна - щільний буфер - використовує пряме пресування пластику поверх основного шару волокна. Будова щільного буфера дає можливість протистояти набагато більшій силі удару і силі тиску і не тягне за собою розрив волокна. Хоча щільний буфер більш гнучкий, ніж вільний, оптичні втрати, викликані сильними вигинами і скручуванням, через микровигини можуть перевищувати номінальні технічні норми. Поліпшена конструкція щільного буфера - посилений кабель, так званий кабель breakout. У кабелі breakout волокно з щільним буфером оточене арамідної пряжею і покриттям, типу поліхлорвініл. Потім одноволоконні елементи покриваються єдиною оболонкою для освіти кабелю breakout. Переваги такого "кабелю в кабелі" забезпечують спрощене підключення та встановлення. Кожна з представлених конструкцій має свої переваги. Трубка вільного буфера дає більш низький коефіцієнт загасання кабелю при микроизгибах, ніж у будь-якому іншому вигляді волокна, а також високий рівень ізоляції від впливу зовнішніх умов.

При впливі тривалих механічних навантажень вільна та трубка забезпечує більш стабільні параметри передачі. Конструкція щільного буфера проста і являє собою гнучкий і стійкий до руйнування кабель.

Вибір фізичних параметрів: Застосовуючи вільний або щільний буфер, системний розробник робить вибір між втратами при микроизгибах і гнучкістю кабелю. Для установки кабелю велике значення мають механічні властивості, такі як межа міцності, ударостійкість, гнучкість. Вимоги до кліматичних умов - це стійкість до впливу вологи, хімічних речовин і ряду інших атмосферних і зовнішніх умов.

Таблиця 2. Порівняльні характеристики зміцнювальних елементів

Зміцнювальні елементи	Руйнівне навантаження, фунти	Діаметр, дюйми	Подовження,%	Вага 1000 футів, фунти
FGE	480	.045	3.5	1.4
Сталь	480	.062	0.7	7.5
Арамід	944	.093	2.4	1.8

Механічний захист: Стандартна навантаження кабелю, що виникає при установці, може в кінцевому підсумку призвести волокно в напружений стан. Напруга може викликати втрати при мікрозгинах, що в свою чергу призводить до збільшення коефіцієнта загасання. Для того щоб перерозподілити навантажувальні напруги, спростити установку і збільшити термін експлуатації, в конструкцію оптичного кабелю додають різного роду внутрішні зміцнюючі елементи. Такі елементи забезпечують навантажувальні напруги, властиві електронного кабелю, і звільняють волокно від тиску, зводячи до мінімуму ефект витягування і стиснення кабелю. У деяких випадках такі елементи діють як термоізолятори.

Зміцнюючі елементи, які, як правило, використовуються в оптоволоконному кабелі, включають в себе арамідні пряжу, скловолоконний епоксидний стрижень (FGE) і сталевий провід. Намотана виток до витка арамідна пряжа виявляється в 5 разів міцніше сталі. Разом зі скловолоконним епоксидним стрижнем пряжа є обов'язковим компонентом при створенні діелектрика.

Для експлуатації при надзвичайно низьких температурах вибирають сталь і FGE, так як ці матеріали більш стійкі до коливань температур.



2. Основні складові елементи оптоволокна. Недоліки

Будова оптоволокна:

· стрижень: зона проходження світла через волокно (скло або пластик). Чим більше діаметр стрижня, тим більший пучок світлового випромінювання передається по волокну.

· оболонка : забезпечує досить низький показник заломлення на поверхні стрижня, щоб викликати ефект повного внутрішнього відображення в осерді для передачі світлових хвиль через волокно.

· покриття : являє собою багатошарову пластмасову оболонку, призначену для захисту волокна від ударів і інших зовнішніх впливів. Такі буферні покриття мають товщину від 250 до 900 мкм.

Діаметр волокна: Розміри скловолокна зазвичай характеризуються зовнішнім діаметром сердечника, оболонки і покриття. Наприклад: 50/125/250 вказує, що у оптоволокна діаметр сердечника - 50 мікрон, оболонки - 125 мікрон і покриття - 250 мікрон. Для порівняння - аркуш паперу по товщині приблизно дорівнює 25 мікронам. При підключенні або з'єднанні волокон покриття завжди видаляється.

Переваги ВОЛЗ: Передача інформації по ВОЛЗ має цілий ряд достоїнств перед передачею по мідному кабелю. Стрімке впровадження в інформаційні мережі ВОЛЗ є наслідком переваг, що випливають з особливостей розповсюдження сигналу в оптичному волокні.

Широка смуга пропускання - обумовлена надзвичайно високою частотою 1014Гц. Це дає потенційну можливість передачі по одному оптичному волокні потоку інформації в кілька терабіт в секунду. Велика смуга пропускання - це одне з найбільш важливих переваг оптичного волокна над мідної або будь-який інший середовищем передачі інформації.

Мале загасання світлового сигналу у волокні: Випущене в даний час вітчизняними і зарубіжними виробниками промислове оптичне волокно має згасання 0,2-0,3 дБ на довжині хвилі 1,55 мкм в розрахунку на один кілометр. Мале загасання і невелика дисперсія дозволяють будувати ділянки ліній без ретрансляції протяжністю до 100 км і більше.

Низький рівень шумів у волоконно-оптичному кабелі дозволяє збільшити смугу пропускання, шляхом передачі різної модуляції сигналів з малим биттям коду.

Висока перешкодозахищеність: Оскільки волокно виготовлено з діелектричного матеріалу, воно несприйнятливо до електромагнітних перешкод з боку оточуючих мідних кабельних систем і електричного обладнання, здатного індукувати електромагнітне випромінювання (Лінії електропередачі, електродвигунні установки і т.д.). У багатоволоконних кабелях також не виникає проблеми перехресного впливу електромагнітного випромінювання, притаманною багатопарних мідним кабелям.

Мала вага і об'єм: Волоконно-оптичні кабелі (ВОК) мають меншу вагу і об'єм в порівнянні з мідними кабелями в розрахунку на одну і ту ж пропускну здатність. Наприклад, 900-парний телефонний кабель діаметром 7,5 см, може бути замінений одним волокном з діаметром 0,1 см. Якщо волокно "одягнути" в безліч захисних оболонок і покрити сталевий стрічкової бронею, діаметр такого ВОК буде 1,5 см, що в кілька разів менше розглянутого телефонного кабелю.

Висока захищеність від несанкціонованого доступу: Оскільки ВОК практично не випромінює в радіодіапазоні, то передану по ньому інформацію важко підслухати, що не порушуючи прийому-передачі. Системи моніторингу (безперервного контролю) цілісності оптичної лінії зв'язку, використовуючи властивості високої чутливості волокна, можуть миттєво відключити "зламувати" канал зв'язку і подати сигнал тривоги. Сенсорні системи, що використовують інтерференційні ефекти розповсюджуваних світлових сигналів (як за різними волокнам, так і різної поляризації) мають дуже високу чутливість до коливань, до невеликим перепадів тиску. Такі системи особливо необхідні при створенні ліній зв'язку в урядових, банківських та деяких інших спеціальних службах, що пред'являють підвищені вимоги до захисту даних.

Гальванічна розв'язка елементів мережі: Дана перевага оптичного волокна полягає в його ізолюючому властивості. Волокно допомагає уникнути електричних "земельних" петель, які можуть виникати, коли два мережевих устрою неізольованої обчислювальної мережі, пов'язані мідним кабелем, мають заземлення в різних точках будівлі, наприклад на різних поверхах. При цьому може виникнути велика різниця потенціалів, що здатне пошкодити мережеве обладнання. Для волокна цієї проблеми просто немає.

Вибухо-та пожежобезпечність: Через відсутності іскроутворення оптичне волокно підвищує безпеку мережі на хімічних, нафтопереробних підприємствах, при обслуговуванні технологічних процесів підвищеного ризику.

Економічність ВОК: Волокно виготовлено з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеного, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді. Нині вартість волокна по відношенню до мідного співвідноситься як 2:5. При цьому ВОК дозволяє передавати сигнали на значно більші відстані без ретрансляції. Кількість повторювачів на протяжних лініях скорочується при використанні ВОК. При використанні солітонних систем передачі досягнуті дальності в 4000 км без регенерації (тобто тільки з використанням оптичних підсилювачів на проміжних вузлах) при швидкості передачі вище 10 Гбіт/с.

Тривалий термін експлуатації: З часом волокно зазнає деградації. Це означає, що затухання в прокладеному кабелі поступово зростає. Однак, завдяки досконалості сучасних технологій виробництва оптичних волокон, цей процес значно уповільнений, і термін служби ВОК становить приблизно 25 років. За цей час може змінитися кілька поколінь/стандартів приймально-передавальних систем.

Віддалене електроживлення: У деяких випадках потрібно віддалене електроживлення вузла інформаційної мережі. Оптичне волокно не здатна виконувати функції силового кабелю. Однак, в цих випадках можна використовувати змішаний кабель, коли поряд з оптичними волокнами кабель оснащується мідним проводять елементом. Такий кабель широко використовується як в Росії, так і за кордоном.

Недоліки волоконної технології: При створенні лінії зв'язку потрібні активні високонадійні елементи, які перетворюють електричні сигнали в світ і світло в електричні сигнали. Необхідні також оптичні конектори (З'єднувачі) з малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення.

Точність виготовлення таких елементів лінії повинна відповідати довжині хвилі випромінювання, тобто похибки повинні бути порядку частки мікрона. Тому виробництво таких компонентів оптичних ліній зв'язку дуже дороге.

Інший недолік полягає в тому, що для монтажу оптичних волокон потрібно дороге технологічне обладнання:

· інструменти для кінцівки;

· коннектори;

· тестери;

· муфти і спайс-касети.

Як наслідок, при аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище, ніж при роботі з мідними кабелями.



3. Оптичне волокно і його види

Промисловість багатьох країн освоїла випуск широкої номенклатури виробів і компонентів оптоволокна. Слід зауважити, що виробництво компонентів відрізняє високий ступінь концентрації.

Більшість підприємств зосереджено в США. Володіючи головними патентами, американські фірми (в першу чергу це відноситься до фірми "CORNING GLASS") впливають на виробництво і ринок компонентів у всьому світі, завдяки укладанню ліцензійних угод з іншими фірмами і створенню спільних підприємств.

Для передачі сигналів застосовуються два види волокна: одномодове SMF (single mode fiber) і багатомодове MMF (multi mode fiber) . Свою назву волокна отримали від способу поширення випромінювання в них. Волокно складається з серцевини і оболонки з різними показниками заломлення. У одномодовому волокні діаметр світловодной жили порядку 8-10 мкм, тобто порівняємо з довжиною світлової хвилі. При такій геометрії у волокні може розповсюджуватися тільки один промінь (одна мода, як її називають).

Рис. 1: Одномодові та багатоходові волокна.

Одномодові волокна поділяються на ступінчасті одномодові волокна (step index single mode fiber) або стандартні волокна SF (Standard fiber), на волокна зі зміщеною дисперсією DSF (dispersion-shifted single mode fiber), і на волокна з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF (Non-zero dispersion-shifted single mode fiber). Згідно законам фізики, при досить малому діаметрі волокна і відповідної довжині хвилі через світловод буде поширюватися єдиний промінь. Взагалі сам факт підбору діаметру сердечника під одномодовий режим поширення сигналу говорить про зокрема кожного окремого варіанту конструкції світловода. Тобто при вживанні понять багато- і одномодових слід розуміти характеристики волокна відносно конкретної частоти використовуваної хвилі. Поширення лише одного променя дозволяє позбутися від міжмодової дисперсії. Як вже відзначалася саме ця дисперсія має найбільший вплив на пропускну здатність каналу. Величини матеріальної і міжчастотной дисперсії на порядки менше міжмодової. Однак одномодове волокно виключає можливість поширення декількох променів, тому міжмодова дисперсія відсутня, в зв'язку з чим одномодові світловоди на порядки продуктивніше. На даний момент застосовується сердечник із зовнішнім діаметром близько 8 мікрон. Як і у випадку з багатомодовими світловодами, використовується і ступінчаста і градієнтна щільність розподілу матеріалу. Другий варіант більш продуктивний. Одномодова технологія тонша, дорога і застосовується в даний час в телекомунікаціях, багатомодові ж кабелі завоювали свою нішу в локальних комп'ютерних мережах.

Багатомодовое ступеневе волокно: Основна відмінність між варіантами оптичного волокна складається у властивостях застосовуваного в них сердечника. Найпростіший варіант сердечника - це кварцове скло з рівномірною щільністю. Якщо відобразити щільності розподілу шарів волокна, то вийде ступінчаста картина, що й відображено у назві цього типу волокна. При досить великому радіусі рівномірно щільного світловода спостерігається ефект міжмодової дисперсії. Її вплив на продуктивність оптичного каналу виявляється набагато більший за міжчастотну та матеріальну. Тому при розрахунку пропускної здатності каналу користуються саме її показниками. В даний час використовують три стандартних діаметра осердя многомодового волокна: 100 мікрон, 62.5 мікрон і 50 мікрон. Найбільш поширені світлопроводи діаметром 62.5 мікрон, проте поступово все більш міцні позиції завойовує сердечник 50 мікрон. Внаслідок простих геометричних законів поширення світла нескладно переконатися в його більшої пропускної здатності, оскільки він пропускає меншу кількість мод, тим самим зменшуючи дисперсію імпульсу на виході. Розмір світловодів вибраний не випадково. Він безпосередньо пов'язаний з використовуваною частотою світловий хвилі. На даний момент виділяють три основних довжини хвилі: 850 нм, 1300 нм і 1500 нм. Чому вибрані саме ці довжини хвиль, ми пояснимо пізніше. Багатомодові ступінчасті волокна володіють малою пропускною здатністю щодо дійсних можливостей світла, у зв'язку з цим частіше в багатомодовою технології використовують градієнтні волокна.

Багатомодовое градієнтне волокно: Назва волокна говорить саме за себе. Основна відмінність градієнтного волокна від ступеневого полягає в нерівномірної щільності матеріалу світловода. Якщо відобразити щільності розподіл на графіку, то вийде параболічна картина. Ефект міжмодової дисперсії як і у випадку ступінчастою схеми все ж проявляється, проте набагато менше. Це легко пояснити з точки зорі геометрії: довжини шляху променів сильно скорочені за рахунок згладжування. Більше того цікавий той факт, що промені проходять далі від осі світловода хоча і долають великі відстані, але при цьому мають великі швидкості, так як щільність матеріалу від центру до зовнішнього радіусу зменшується. А світлова хвиля поширюється тим швидше, чим менше щільність середовища. У підсумку більше довгі траєкторії компенсуються більшою швидкістю. При вдало збалансованому розподілі щільності скла можливо звести до мінімуму різницю в часі розповсюдження, за рахунок цього міжмодова дисперсія градієнтного волокна набагато менше. Як і у випадку із ступінчастим волокном, в даний час використовують три стандартних діаметра градієнтного сердечника: 100 мікрон, 62.5 мікрон і 50 мікрон, що працюють також на частотах 850 нм, 1300 нм і 1500 нм. Однак наскільки ми не були б збалансовані градієнтні багатомодові волокна, їх пропускна здатність не зрівнятися з одномодовими технологіями.



4. Волоконно-оптичний кабель. Галузі застосування і класифікація волоконно-оптичних кабелів

Другим найважливішим компонентом, що визначає надійність і довговічність є волоконно-оптичний кабель (ВОК). На сьогодні у світі кілька десятків фірм, виробляють оптичні кабелі різного призначення. Найбільш відомі з них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРН); BICC Cable (Великобританія); Les cables de Lion (Франція); Nokia (Фінляндія); NTT, Sumitomo (Японія), Pirelli (Італія). Визначальними параметрами при виробництві ВОК є умови експлуатації і пропускна здатність лінії зв'язку. За умовами експлуатації кабелі поділяють на:

· монтажні

· станційні

· зонові

· магістральні

Перші два типи кабелів призначені для прокладки усередині будівель і споруд. Вони компактні, легкі і, як правило, мають невелику будівельну довжину. Кабелі двох типів призначені для прокладки в колодязях кабельних комунікацій, в грунті, на опорах вздовж ЛЕП, під водою. Ці кабелі мають захист від зовнішніх впливів і будівельну довжину більше двох кілометрів.

Для забезпечення великої пропускної здатності лінії зв'язку виробляються ВОК, містять невелику кількість (до 8) одномодових волокон з малим загасанням, а кабелі для розподільних мереж можуть містити до 144 волокон як одномодових, так і багатомодових, Залежно від відстаней між сегментами мережі.

При виготовленні ВОК в основному використовуються два підходи:

· конструкції з вільним переміщенням елементів

· конструкції з жорсткою зв'язком між елементами.

За видами конструкцій розрізняють кабелі повівного скручування, пучкового скручування, з профільним сердечником, стрічкові кабелі. Існують численні комбінації конструкцій ВОК, які у поєднанні з великим асортиментом застосовуваних матеріалів дозволяють вибрати виконання кабелю, найкращим чином задовольняє всім умовам проекту, в тому числі - вартісним.

Окремо розглянемо способи зрощування будівельних довжин кабелів. Зрощування будівельних довжин оптичних кабелів проводиться з використанням кабельних муфт спеціальної конструкції. Ці муфти мають два або більше кабельних введення, пристосування для кріплення силових елементів кабелів і одну або кілька сплайс-пластин. Сплайс-пластина - це конструкція для укладання й закріплення зрощуються волокон різних кабелів.

Після того, як оптичний кабель прокладений, необхідно з'єднати його з приймально-передавальної апаратурою. Зробити це можна за допомогою оптичних конекторів (з'єднувачів). У системах зв'язку використовуються конектори багатьох видів.

Галузі застосування і класифікація волоконно-оптичних кабелів: Залежно від основної області застосування волоконно-оптичні кабелі поділяються на три основні види:

· кабелі зовнішньої прокладки (outdoor cables);

· кабелі внутрішньої прокладки (indoor cables);

· кабелі для шнурів.

Основною областю використання кабелів внутрішньої прокладки є організація внутрішньої магістралі будівлі, тоді як кабелі для шнурів призначені в основному для виготовлення сполучних і комутаційних шнурів, а також для виконання горизонтальної розводки при реалізації проектів класу «fiber to the desk»(волокно до робочого місця) і «fiber to the room»(волокно до кімнати). Загальну класифікацію оптичних кабелів СКС можна представити у вигляді як показано на малюнку.

5. Електронні компоненти систем оптичного зв'язку

5.1 Передавальні оптоелектронні модулі

Передавальні оптоелектронні модулі (ПОМ), застосовувані в волоконно-оптичних системах, призначені для перетворення електричних сигналів в оптичні. Останні повинні бути введені в волокно з мінімальними втратами. Виробляються вельми різноманітні ПОМ, що відрізняються по конструкції, а також за типом джерела випромінювання. Одні працюють на телефонних швидкостях з максимальною відстанню до декількох метрів, інші передають сотні і навіть тисячі мегабіт в секунду на відстані в кілька десятків кілометрів.

Типи і характеристики джерел випромінювання: Головним елементом ПОМ є джерело випромінювання. Перелічимо основні вимоги, яким повинен задовольняти джерело випромінювання, що застосовується у ВОЛЗ:

· випромінювання повинно вестися на довжині хвилі одного з вікон прозорості волокна. У традиційних оптичних волокнах існує три вікна, в яких досягаються менші втрати світла при поширенні: 850, 1300, 1550 нм;

· джерело випромінювання повинен витримувати необхідну частоту модуляції для забезпечення передачі інформації на необхідній швидкості;

· джерело випромінювання повинен бути ефективним, в тому сенсі, що більша частина випромінювання джерела потрапляла в волокно з мінімальними втратами;

· джерело випромінювання повинен мати достатньо велику потужність, щоб сигнал можна було передавати на великі відстані, але і не на стільки, щоб випромінювання призводило до нелінійних ефектам або могло пошкодити волокно або оптичний приймач;

· температурні варіації не повинні позначатися на функціонуванні джерела випромінювання;

· вартість виробництва джерела випромінювання повинна бути відносно невисокою.

Два основних типи джерел випромінювання, що задовольняють перерахованим вимоги використовуються нині - світлодіоди (LED) і напівпровідникові лазерні (LD). Головна відмінна риса між світлодіодами та лазерними діодами-це ширина спектру випромінювання. Світловипромінюючі діоди мають широкий спектр випромінювання, в той час вірні діоди мають значно більш вузький спектр. Обидва типи пристроїв досить компактні і добре сполучаються зі стандартними електронними ланцюгами.

Рис.2: Спектральні характеристики випромінювачів: а - світлодіод, б - лазер

5.2 Світловипромінюючі діоди

Завдяки своїй простоті і низької вартості, світлодіоди поширені значно ширше, ніж лазерні діоди. Принцип роботи світлодіода заснований на випромінювальної рекомбінації носіїв заряду в активній області гетерогенної структури при пропущенні через неї струму. Носії заряду - електрони і дірки - проникають в активний шар (гетероперехід) з прилеглих пасивних верств (р- і n-шару) внаслідок подання напруги на р-n структуру і потім відчувають спонтанну рекомбінацію, що супроводжується випромінюванням світла.

Довжина хвилі випромінювання X (мкм) пов'язана з шириною забороненої зони активного шару Eg (еВ) законом збереження енергії О₀=1,24/Еg.

Показник заломлення активного шару вище показника заломлення обмежують пасивних верств, завдяки чому рекомбінаційно випромінювання може поширюватися в межах активного шару, відчуваючи багаторазове відображення, що значно підвищує ККД джерела випромінювання.

Гетерогенні структури можуть створюватися на основі різних напівпровідникових матеріалів. Зазвичай в Як підкладка використовуються GaAs і 1пр. Відповідний композит композиційний склад активного матеріалу вибирається залежно від довжини хвилі випромінювання створюється за допомогою напилення на підкладку.

Довжину хвилі випромінювання О₀ визначають як значення, відповідне максимуму спектрального розподілу потужності, а ширину спектра випромінювання як інтервал довжин хвиль, в якому спектральна щільність потужності становить половину максимальної.

5.3 Лазерні діоди

Два головних конструктивних відмінності є у лазерного діода порівняно з світлодіодом. Перше, лазерний діод має вбудований оптичний резонатор. Друге, лазерний діод працює при значно більших значеннях струмів накачування, ніж світлодіод, що дозволяє при перевищенні деякого граничного значення отримати режим індукованого випромінювання. Саме таке випромінювання характеризується високою когерентністю, завдяки чому лазерні діоди мають значно менше ширину спектру випромінювання (1-2 нм) проти 30-50 нм у світлодіодів.

Залежність потужності випромінювання від струму накачування описується ват-амперної характеристикою лазерного діода. При малих токах накачування лазер, відчуває слабке спонтанне випромінювання, працюючи як малоефективний світлодіод. При перевищенні деякого порогового значення струму накачування Ithres, випромінювання стає індукованим, що призводить до різкого зростання потужності випромінювання і його когерентності, рис.3

Рис. 3: Ватт-амперні характеристики: 1-світлодіода; 2-лазерного діода;

Лазер складається з активного середовища, пристрою накачування і резонансної системи. Активним середовищем може бути твердий, рідкий або газоподібний матеріал. Широке застосування отримали напівпровідники. В якості пристрою накачування використовується головним чином електрична енергія. Можуть застосовуватися також сонячна радіація, атомна енергія, хімічна реакція і інші джерела. Роль резонансу виконують дзеркала або інші поліровані поверхні.

Рис. 4: Принципова схема лазера:

За принципом дії і ефекту світлового випромінювання лазер може бути віднесений до люмінесцентних матеріалів. Відомі різні види люмінесценції (світіння): теплова (лампочка розжарювання), холодна (фосфор та інші матеріали, що світяться), природна (світлячок, гниле дерево), хімічна (активна реакція) та ін. У напівпровідникових лазерах діє електрична люмінесценція - світіння відбувається за рахунок електричного накачування.

Принцип дії квантових приладів (лазерів) заснований на використанні випромінювання атомів речовини під впливом зовнішнього електромагнітного поля. З квантової механіки відомо, що рух електронів атома навколо ядра характеризує енергетичний стан електронів, інакше зване енергетичним рівнем. При переході електронів з однієї орбіти на іншу під впливом зовнішнього електромагнітного поля змінюється енергетичний рівень і відбувається випромінювання енергії.

В даний час застосовуються різні типи лазерів: напівпровідникові, твердотільні, газові та ін Напівпровідниковий лазер являє собою напівпровідниковий діод типу р-п, виконаний з активного матеріалу, здатного випромінювати світлові кванти-фотони. В якості такого матеріалу переважно використовується арсенід галія з відповідними добавками (телуру, алюмінію, кремнію, цинку). Залежно від характеру і кількості присадок напівпровідник має галузі електронної n (за рахунок телуру) і діркової р (за рахунок цинку) провідностей.

Під дією прикладеної напруги в напівпровіднику відбувається збудження носіїв, у силу чого виникає випромінювання світлової енергії і з'являється потік фотонів. Цей потік, багато разів відбиваючись від дзеркал, що утворюють резонансну систему, посилюється, що призводить до появи лазерного променя з остронаправленной діаграмою випромінювання.

Поряд з лазерами як джерело оптичного випромінювання можуть застосовуватися світлодіоди. Світлодіод є таким же люмінесцентним напівпровідником типу р-n з арсеніду галія, але не має резонансного підсилення. На відміну від лазера, що володіє гостронаправленим когерентним променем, в світлодіоді випромінювання відбувається спонтанно (мимовільно) і промінь має меншу потужність і широку спрямованість.

Таблиця 3. Порівняльні характеристики лазерів і світлодіодів

Випромінювач	Лазер	Світлодіод
Потужність, мВт	10…40	5…20
Діаграма, град	4…20	60…80
Ширина спектра, мм	1…3	30…50
Термін служби, год	104…105	105…106

Порівнюючи звичайний світловий прилад, наприклад, лампочка розжарювання, з лазерним променем, можна відзначити, що в обох випадках діє потік фотонів. Але на відміну від звичайного світла, заснованого на тепловій природою виникнення та випромінювального дуже широкий безперервний спектр частот, лазерний промінь має електромагнітну основу і являє собою монохроматичний (однохвильовий) промінь.

Лазерний промінь володіє рядом чудових властивостей. Він поширюється на великі відстані і має строго прямолінійний напрямок. Луч рухається дуже вузьким пучком з малою ступенем расходімості (він досягає місяця з фокусуванням в сотні метрів). Лазерний промінь володіє великою теплотою і може пробивати отвір у будь-якому матеріалі. Світлова інтенсивність променя більше, ніж інтенсивність найсильніших джерел світла.

В якості приймального пристрою, що перетворює світло в електрику, застосовується фотодіод. Тут використовується ефект Столєтова, що складається в тому, що при дії світла на активний матеріал, наприклад напівпровідник, змінюються його електричні властивості і виникає електричний сигнал.

Таким чином в лазерах електрика перетворюється на світло, а в фотодіодах відбувається зворотний процес: світло перетвориться в електрику.

У магістральних ВОЛЗ використовуються два вікна 1,3 і 1,55 мкм. Оскільки найменше загасання у волокні досягається у вікні 1,55 мкм, на понадпротяжних безретрансляціонних ділянках (L = 100 км) ефективніше використовувати оптичні передавачі саме з цією довжиною хвилі. У той же час на багатьох магістральних ВОЛЗ а склад ВОК входять тільки ступінчасті одномодові волокна, що мають мінімум хроматичної дисперсії в околиці 1,3 мкм (волокон зі зміщеною дисперсією немає). На довжині хвилі 1,55 мкм питома хроматична дисперсія у SMF становить 17 пс/нм*км. А оскільки смуга пропускання обернено пропорційна ширині спектру випромінювання, то збільшити смугу пропускання можна тільки зменшивши ширину спектру випромінювання лазера. Отже, для того щоб оптичні передавачі на довжині хвилі 1,55 мкм могли в рівній мірі використовуватися на протяжної лінії не тільки з одномодовим волокном зі зміщеною дисперсією (DSF), а й із ступінчастим волокном (SMF), необхідно робити ширину спектра випромінювання передавачів як можна менше.

Чотири основних типи лазерних діодів набули найбільшого поширення: з резонатором Фабрі-Перо; з розподіленою зворотним зв'язком; з розподіленим бреггівського граженіем; з зовнішнім резонатором.

Лазерні діоди з резонатором Фабрі-Перо (FP лазери, Fabry-Perot). Резонатор у такому лазерному діоді утворюється торцевими поверхнями, оточуючими з обох сторін гетерогенний перехід. Одна з поверхонь відображає світло з коефіцієнтом відображення, близьким до 100%, інша є напівпрозорої, забезпечуючи, таким чином, вихід випромінювання назовні.

Лазерні діоди з розподіленої зворотним зв'язком (DFB лазер) і з розподілена бреггівського відображенням (DBR лазер). Резонатори у цих двох досить схожих типів являють собою модифікацію плоского резонатора Фабрі-Перо, в якій добавлена періодична просторова модуляційна структура. У DFB лазерах періодична структура сполучена з активною областю, а в DBR лазерах періодична структура винесена за межі активної області. Періодична структура впливає умови розповсюдження і характеристики випромінювання. Так, перевагами DFB і DBR лазерів в порівнянні з FP лазером є: зменшення залежності довжини хвилі лазера струму інжекції і температури, висока стабільність Одномодових і практично 10 процентна глибина модуляції. Температурний коефіцієнт для FP лазера порядку 0,5-1 нм/В° С, у той час як для DFB лазера порядку 0,07-0,09 нм/В° С. Основним нестачі DFB і DBR лазерів є складна технологія виготовлення і, як наслідок, більш висока ціна.

Лазерний діод з зовнішнім резонатором (ЄС лазер): У ЄС лазерах один або обидва торці покриваються спеціальним шаром, що зменшує відбиття, і відповідно, одне або два дзеркала ставляться навколо активної області напівпровідникової структури. Антіотражательное покриття зменшує коефіцієнт відбиття приблизно на чотири порядки, у той час як інший торець активного шару відбиває до 30% світлового потоку завдяки Френелевскую відображенню. Дзеркало, як правило, поєднує функції дифракційної решітки. Для поліпшення назад зв'язку між дзеркалом і активним елементом встановлюється лінза.

Збільшуючи або зменшуючи відстань до дзеркала, а також одночасно розгортаючи дзеркало-решітку - це еквівалентно зміни кроку решітки-можна плавно змінювати довжину хвилі випромінювання, причому діапазон налаштування досягає 30 нм. У силу цього, ЄС лазери є незамінними при розробці апаратури хвильового ущільнення і вимірювальної апаратури для ВОЛЗ. За характеристиками вони схожі з DFB і DBR лазерами.

Інші характеристики: Також важливими характеристиками джерел випромінювання є: швидкодія джерела випромінювання; деградація і час напрацювання на відмову.

· Швидкодія джерела випромінювання. Експериментально вимірюваним параметром, що відображає швидкодія джерела випромінювання, є максимальна частота модуляції, Попередньо встановлюються пороги на рівні 0,1 і 0,9 від сталого значення потужності світлового випромінювання при низькочастотної модуляції прямокутними імпульсами струму. У міру зростання частоти модуляції, тобто при переході на менші масштаби по часовій шкалі, форма світлових фронтів стає більш пологою. Для опису фронтів вводять часи наростання Trise і спаду tmi потужності випромінювання, визначаються як тимчасові інтервали, за які відбувається наростання від 0,1 до 0,9 і, навпаки, спад світлового сигналу від 0,9 до 0,1. Максимальна частота модуляції визначається як частота вхідних електричних імпульсів, при якій вихідний оптичний сигнал перестає перетинати порогові значення 0,1 і 0,9, залишаючись при цьому у внутрішній області. Для світлодіодів ця частота може досягати до 200 МГц, а у лазерних діодів - значно більше (кілька ГГц). Часи наростання і спаду надають інформацію про смузі пропускання W.

· Деградація і час напрацювання на відмову. У міру експлуатації оптичного передавача його характеристики поступово погіршуються - падає потужність випромінювання, і, врешті решт, він виходить з ладу. Це пов'язано з деградацією напівпровідникового шару. Надійність напівпровідникового випромінювача визначається середньою напрацюванням на відмову або інтенсивністю відмов. Лазерні діоди, що випускаються десять років тому, мали значно меншою надійністю в порівнянні зі світлодіодами. Проте в даний час, завдяки вдосконаленню конструкцій і технології виготовлення, вдалося значно підвищити надійність лазерних діодів і наблизити їх до світлодіодів за часом напрацювання на відмову, яке складає до 50000 годин і більше (5-8 років).

5.4 Основні елементи ПЗЗ

Для організації передачі оптичних сигналів не досить мати тільки джерело випромінювання. У будь конструкції ПЗЗ є спеціальний тримач (housing), який дозволяє закріпити і захистити складові елементи передавача; джерело випромінювання, вузол електричного інтерфейсу і місце сполучення з волокном. Іноді потрібні додаткові внутрішні елементи для оптимального під'єднання волокна. Важливим елементом лазерних діодів є ланцюг струму накачування, і система контролю температури. Для складних лазерних систем додають вихідний моніторинг оптичного сигналу. Загальна схема конструкції оптичного передавача, в якій не всі елементи є обов'язковими, показана на рис. 6.



Рис. 5: Складові елементи передавального оптоелектронного модуля

5.5 Волоконні світловоди

Основним елементом ОК є волоконний світловод, виконаний у вигляді тонкого скляного волокна циліндричної форми. Волоконний світловод має двошарову конструкцію і складається з серцевини і оболонки з різними оптичними характеристиками (показниками заломлення). Серцевина служить для передачі електромагнітної енергії. Призначення оболонки: створення кращих умов відбиття на границі "Серцевина-оболонка" та захист від випромінювання енергії в навколишній простір. Зовні розташовується захисне покриття для запобігання волокна від механічних впливів і нанесення расцветкі.Сердцевіна і оболонка виготовляються з кварцу, покриття - з епоксіакрілата, фторопласту, нейлону, лаку та інших полімерів.

Оптичні волокна класифікуються на одномодові і багатомодові. Останні поділяються на ступінчасті і градієнтні. Одномодові волокна мають тонку серцевину (6 ... 8 мкм), і по них передається одна хвиля; по багатомодовим (серцевина 50 мкм) поширюється велике число хвиль. Найкращими параметрами по пропускній здібності і дальності володіють одномодові волокна. У східчастих світловодів показник заломлення в серцевині постійний, мається різкий перехід від серцевини до оболонки і промені зигзагоподібно відбиваються від кордону "сердечник-оболонка". Градієнтні світлопроводи мають безперервне плавну зміну показника заломлення в серцевині по радіусу світловода від центру до периферії, і промені поширюються по хвилеподібними траєкторіям. Показник заломлення серцевини змінюється вздовж радіуса за законом показовою функції