де r - поточний радіус; R - радіус серцевини; n 1 - показник заломлення в центрі серцевини, рівний, приблизно, 1,5; q - показник ступеня, що визначає зміна n (r); Д - 0,003 - 0,01.

Найчастіше застосовуються світлопроводи з параболічним профілем. У цьому випадку q=2 і відповідно:



6. Дисперсія і пропускна здатність

Параметр (пропускна здатність) поряд з загасанням є найважливішим параметром ВОСП. Він визначає смугу частот, що пропускається світловодом, і відповідно обсяг інформації, який можна передати по ОК ..

У граничному ідеалізованому варіанті по НД можлива організація величезного числа каналів на великі відстані, але фактично є значні обмеження. Це обумовлено тим, що сигнал на вхід приймального пристрою приходить розмитим, спотвореним, причому чим довша лінія, тим більше спотворюється переданий сигнал.

Дане явище носить назва дисперсії і обумовлено розходженням часу поширення різних мод у світловоді і наявністю частотної залежності показника заломлення.

Дисперсія-це розсіювання в часі спектральних або модових складових оптичного сигналу. Дисперсія призводить до збільшення тривалості імпульсу при проходженні по ОК. Розширенням імпульсу т визначається як квадратична різниця тривалості імпульсів на виході і вході формулою

Дисперсія не тільки обмежує частотний діапазон використання світловодів, а й істотно знижує дальність передачі по ОК, тому що чим довша лінія, тим більше проявляється дисперсія і більше розширення імпульсу.

Пропускна здатність ОК істотно залежить від типу ПС (одномодові, багатомодові, градієнтні), а також від типу випромінювача (лазер, світлодіод).

Причинами виникнення дисперсії є:

· некогерентність джерел випромінювання і поява спектра;

· існування великої кількості мод (N).

У першому випадку дисперсія називається хроматичною (частотною). Вона ділиться на матеріальну і хвильову (Внутрімодову дисперсію). Хвильове дисперсія обумовлена процесами всередині моди і характеризується залежністю коефіцієнта поширення моди від довжини хвилі. Матеріальна дисперсія обумовлена залежністю показника заломлення від довжини хвилі.

У другому випадку дисперсія називається кодовою і обумовлена наявністю великої кількості мод, час поширення яких різний.

У геометричній інтерпретації відповідні модам промені йдуть під різними кутами, проходять різний шлях у серцевині волокна і, отже, надходять на вхід приймача з різною затримкою.

Величина уширения імпульсу в багатомодових волокнах за рахунок модової дисперсії, яка характеризується часом наростання сигналу і визначається як різниця між найбільшим і малим часом приходу в перетин світловода на відстані I від початку

Довжина зв'язку мод, при якій настає сталий режим (5 ... 7 км для ступеневої і 10 ... 15 км градієнтного волокон).

Відповідно пропускна здатність градієнтного світловоду у 2 рази менше, ніж ступеневої, при однакових значеннях. Враховуючи, що, як правило, відмінність пропускної здатності зазначених світловодів може досягати двох порядків.

Питомі дисперсії виражаються в пікосекунди на кілометр (довжини світловода) і нанометр (ширини спектру). Залежність матеріальної і хвидеводної дисперсій для кварцового скла показані на Рис. 8.

Рис. 6: Залежність матеріальної і хвиле водної дисперсіі для кварцового скла.

У табл. 4 наведені дисперсійні властивості різних типів ВС.

Таблиця 4: Дисперсійні властивості різних типів ВС.

Вид дисперсії	Величина дисперсії світловода
	багатомодового	одномодового
	ступінчастого	градієнтного
Хвилеводна	Малі значення	Взаємна компенсація
Матеріальна	2…5 нс/км	0,1…0,3 нс/км	Малі значення
Міжродова	30…50 нс/км	2…4 нс/км	----
Смуга частот	Десятки МГц	Сотні МГц	Тисячі МГц

Порівнюючи дисперсійні характеристики різних світловодів, можна відзначити, що кращими володіють одномодові світловоди. Хороші характеристики також у градієнтних світловодів з плавним зміною показника заломлення. Найбільш різко дисперсія проявляється у східчастих багатомодових світловодів.

Розглянемо пропускну здатність ОК. В електричних кабелях з мідними провідниками (симетричних і коаксіальних) смуга пропускання і дальність зв'язку в основному лімітуються загасанням і помехозащищенностью ланцюгів. Оптичні кабелі принципово не схильні електромагнітних впливів і мають високу помехозащищенностью, тому параметр перешкодозахищеності не є обмежуючим фактором. У ОК смуга пропускання і дальність зв'язку лімітуються загасанням і дисперсією.

Загасання ОК росте по закону. У широкій смузі частот воно дуже стабільне і лише на дуже високих частотах зростає за рахунок дисперсії. Тому дисперсія і визначає ширину смуги пропускання частот. З малюнка видно, що смуга пропускання одномодових світловодів істотно більше, ніж ступінчастих і градієнтних.

Рис. 7: Залежність дисперсії (ф) і пропускної здатності (ДF) ОК від довжини лінії

На рис. показаний характер залежностей дисперсії (ф) і пропускної здатності (ДF) оптичних кабелів від довжини лінії. Дисперсія приводить як до обмеження пропускної здатності ОК, так і до зниження дальності передачі по них (l). Смуга частот і дальність передачі l взаємопов'язані. Співвідношення між ними виражається формулами:

для коротких ліній, у яких уширение імпульсів з довжиною зростає лінійно:

для довгих ліній, у яких діє закон зміни величини ширини імпульсів,

де значення з індексом х - шукані, а без х - задані; - довжина лінії, що встановлює режим (5-7 км для ступеневої та 10-15 км - для градієнтного волокна), довжина зв'язку мод.

Кілометричне значення смуги пропускання визначається величиною уширення імпульсів:

F = 1 / , (2.23)

де = 228 пс / нм км.

F = 1/228 10 ^-12 = 4386 МГц або 4,386 ГГц.



7. Фізичні процеси у волоконних світловодах

На відміну від звичайних кабелів, що володіють електричною провідністю і струмом провідності, ОК мають зовсім інший механізм - вони володіють струмами зміщення, на основі яких діє також радіопередача. Відмінність від радіопередачі полягає в тому, що хвиля не поширюється в вільному просторі, а концентрується в самому обсязі світловода і передається по ньому в заданому

Передача хвилі по світловоду здійснюється за рахунок віддзеркалень її від кордону серцевини і оболонки, що мають різні показники заломлення. У звичайних кабелях носієм переданої інформації є електричний струм, а в ОК-лазерний промінь.

У звичайних широко використовуваних в даний час симетричних і коаксіальних кабелях передача організується по двопроводній схемі із застосуванням прямого і зворотного провідників ланцюга.

У світловодах, хвилеводах та інших напрямних середовищах (НС) немає двох провідників, і передача відбувається хвилеводним методом за законом багаторазового відбиття хвилі від кордонів розділу середовищ. Такий відбивної кордоном може бути метал-діелектрик, діелектрик-діелектрик з різними діелектричними (оптичними) властивостями і ін

Кордон розділу двопровідних (двозв'язних) і хвилеводних (однозв'язних) НС характеризується в першу чергу співвідношенням між довжиною хвилі і поперечними розмірами спрямовуючого середовища . Повинно бути два дроти: прямий і зворотний, і передача відбувається за звичайною двопроводною схемою; в іншому випадку не потрібно двопроводна система, і передача здійснюється за рахунок багаторазового відбиття хвилі від кордонів розділу середовищ з різними характеристиками. Тому передача по хвилеводним системам (світловодам, хвилеводам та іншим НС) можлива лише в діапазоні дуже високих частот, коли довжина хвилі менше, ніж поперечні розміри-діаметр НС.

Оптичні мікронні хвилі поділяються на три діапазони: інфрачервоний, видимий і ультрафіолетовий (Табл.5). В даний час використовуються в основному хвилі довжиною 0,7 ... 1,6 мкм і ведуться роботи з освоєння ближнього інфрачервоного діапазону: 2, 4, 6 мкм.

Таблиця 5. Характеристики діапазонів.

Діапазон	f, Гц	л, мкм
ІЧД	1012…1014	0,75…100
ВД	1014…1015	0,4….0,75
УФД	1015…1017	0,01…0,4

Таким чином, для передачі електромагнітної енергії застосовуються електричні оптичні кабелі, а також радіозв'язок.

У різних системах використовуються різні середовища (напрямні або відкриті) і струми (і). Особливості цих НС пов'язані з частотними обмеженнями при передачі енергії.

Принципово різний частотний діапазон передачі по хвилеводним і двопровідним системам. Хвилеводні системи мають частоту відсічення - критичну частоту, поводяться як фільтри ВЧ, і по ним можлива лише передача хвиль меншої довжини. Двопровідні системи вільні від цих обмежень і здатні передавати весь діапазон частот - від нуля і вище.



Висновок

Відкрилися широкі горизонти практичного застосування ОК і волоконно-оптичних систем передачі в таких галузях народного господарства, як радіоелектроніка, інформатика, зв'язок, обчислювальна техніка, космос, медицина, голографія, машинобудування, атомна енергетика та ін Волоконна оптика розвивається по шести напрямках:

· багатоканальні системи передачі інформації;

· кабельне телебачення;

· локальні обчислювальні мережі;

· датчики і системи збору обробки і передачі інформації;

· зв'язок і телемеханіка на високовольтних лініях;

· обладнання та монтаж мобільних об'єктів.

Багатоканальні ВОСП починають широко використовуватися на магістральних і зонових мережах зв'язку країни, а також для влаштування з'єднувальних ліній між міськими АТС. Пояснюється це великою інформаційною здатністю ОК та їх високою перешкодозахищеністю. Особливо ефективні економічні підводні оптичні магістралі. Застосування оптичних систем в кабельному телебаченні забезпечує високу якість зображення і істотно розширює можливості інформаційного обслуговування індивідуальних абонентів. У цьому випадку реалізується замовна система прийому та надається можливість абонентам отримувати на екрані своїх телевізорів зображення газетних смуг, журнальних сторінок і довідкових даних з бібліотеки та навчальних центрів. На основі ОК створюються локальні обчислювальні мережі різної топології. Такі мережі дозволяють об'єднувати обчислювальні центри в єдину інформаційну систему з великою пропускною здатністю, підвищеною якістю і захищеністю від несанкціонованого допуску.

Волоконно-оптичні датчики здатні працювати в агресивних середовищах, надійні, малогабаритні і не схильні електромагнітних впливів. Вони дозволяють оцінювати на відстані різні фізичні величини (температуру, тиск, струм та ін.) Датчики використовуються в нафтогазовій промисловості, системах охоронної та пожежної сигналізації, автомобільної техніки та ін. Перспективне застосування ОК на високовольтних лініях електропередачі (ЛЕП) для організації технологічної зв'язку та телемеханіки. Оптичні волокна вбудовуються в фазу або трос. Тут реалізується висока захищеність каналів від електромагнітних впливів ЛЕП та грози. Легкість, малогабаритність, незаймистість ОК зробили дуже корисними для монтажу і обладнання літальних апаратів, судів та інших мобільних пристроїв.

Останнім часом з'явився новий напрям у розвитку волоконно-оптичної техніки - використання середнього інфрачервоного діапазону хвиль 2 ... 10 мкм. Очікується, що втрати в цьому діапазоні не перевищуватимуть 0,02 дБ/км. Це дозволить здійснити зв'язок на великі відстані з ділянками регенерації до 1000 км. Дослідження фтористих і халькогенідних стекол з добавками цирконію, барію та інших сполук, що володіють надпрозоре в інфрачервоному діапазоні хвиль, дає можливість ще більше збільшити довжину регенераційної ділянки. Очікуються нові цікаві результати у використанні нелінійних оптичних явищ. Використання цих явищ в волоконних світловодах дозволить істотно збільшити обсяг переданої інформації і дальність зв'язку без застосування ретрансляторів.

Дуже перспективна реалізація в ВОЛЗ методу частотного поділу каналів, який полягає в тому, що в світловод одночасно вводиться випромінювання від декількох джерел, працюють на різних частотах, а на приймальному кінці за допомогою оптичних фільтрів відбувається поділ сигналів. Такий метод поділу каналів у ВОЛЗ отримав назву спектрального ущільнення або мультиплексування. При побудові абонентських мереж ВОЛЗ крім традиційної структури телефонної мережі радіально-вузлового типу передбачається організація кільцевих мереж, забезпечують економію кабеля. Можна вважати, що в ВОСП другого покоління посилення і перетворення сигналів у регенераторах відбуватимуться на оптичних частотах із застосуванням елементів і схем інтегральної оптики. Це спростить схеми регенераційних підсилювачів, поліпшить їх економічність і надійність, знизить вартість. У третьому поколінні ВОСП передбачається використовувати перетворення мовних сигналів в оптичні безпосередньо з допомогою акустичних перетворювачів. Вже розроблений оптичний телефон і проводяться роботи по створенню принципово нових АТС, комутуючих світлові, а не електричні сигнали. Є приклади створення багатопозиційних швидкодіючих оптичних перемикачів, які можуть використовуватися для оптичної комутації.

На базі ОК і цифрових систем передачі створюється інтегральна мережа багатоцільового призначення, включає різні види передачі інформації (телефонування, телебачення, передача даних ЕОМ і АСУ, відеотелефон, фототелеграф, передача смуг газет, повідомлень з банків і т. д.). В якості уніфікованого прийнятий цифровий канал ІКМ зі швидкістю передачі 64 Мбіт/с (або 32 Мбіт/с). Для широкого застосування ОК і ВОСП необхідно вирішити цілий ряд завдань.

До них насамперед належать такі:

§ опрацювання системних питань та визначення техніко-економічних показників застосування ОК на мережах зв'язку;

§ масове промислове виготовлення одномодових волокон, світловодів та кабелів, а також оптоелектронних пристроїв для них;

§ підвищення вологостійкості і надійності ОК за рахунок застосування металевих оболонок і гідрофобного заповнення;

§ освоєння інфрачервоного діапазону хвиль 2 ... 10 мкм і нових матеріалів (фторидних і халькогенідних) для виготовлення світловодів, що дозволяють здійснювати зв'язок на великі відстані;

§ створення локальних мереж для обчислювальної техніки та інформатики;

§ розробка випробувальної та вимірювальної апаратури, рефлектометрів, тестерів, необхідних для виробництва ОК, настройки та експлуатації ВОЛЗ;

§ механізація технології прокладки і автоматизація монтажу ОК;

§ вдосконалення технології промислового виробництва волоконних світловодів і ОК, зниження їх вартості;

§ дослідження і впровадження солітоновие режиму передачі, при якому відбувається стиснення імпульсу і знижується дисперсія;

§ розробка і впровадження системи та апаратури спектрального ущільнення ОК;

§ створення інтегральної абонентської мережі багатоцільового призначення;

§ створення передавачів і приймачів, безпосередньо перетворюють звук в світ і світло в звук;

§ підвищення ступеня інтеграції елементів і створення швидкодіючих вузлів каналообразующей апаратури ІКМ із застосуванням елементів інтегральної оптики;

§ створення оптичних регенераторів без перетворення оптичних сигналів в електричні;

§ вдосконалення передавальних і приймальних оптоелектронних пристроїв для систем зв'язку, освоєння когерентного прийому;

§ розробка ефективних методів і пристроїв електроживлення проміжних регенераторів для зонових і магістральних мереж зв'язку;

§ оптимізація структури різних ділянок мережі з урахуванням особливостей застосування систем на ОК;

§ вдосконалення апаратури і методів для частотного і тимчасового поділу сигналів, переданих по световодам;

§ розробка системи та пристроїв оптичної комутації.



Список використаної літератури

1. Вайнштейн «Електро-магнітні хвилі», М.: Радіо і зв'язок, 1998.

2. «Волоконна оптика в вимірювальної та обчислювальної техніки» / А.Н.Казангапов, А.Л.Патлах, Р.Вільш, г.Швотцерг та ін - Алма-Ата: Наука, 1989.

3. «Волоконно-оптична техніка», Техніко-комерційний збірник. М., АТ ВОТ, N1, 1993.

4. «Волоконно-оптичні датчики» / [Т.Окосі, К.Окамото, М.Оцу та ін]; переклад з яп. Г.Н.Горбунова. - Л.: Вища. Ленингр. отд.-ня, 1991.

5. «Волоконно-оптичні лінії зв'язку» Довідник. під ред. Свєчникова, С.В. і Андрушко Л.М., Київ «Техніка», 1988.

6. «Волоконно-оптичні системи передачі: Конспект лекцій» / О.А. Татаркіна. - Єкатеринбург: УрТІСІ ГОУ ВПО «СібГУТІ», 2008.

7. Десурвір «Світловий зв'язок: п'яте покоління», сер. «У світі науки», N 3, 1992.

8. «Зарубіжна техніка зв'язку», сер. «Телефонія, телеграфія, передача даних», ЕІ вип. 11-12, 1991.

9. Іванов А. Б. «Волоконна оптика: компоненти, системи передачі, виміри» М.: Компанія «САЙРУС СИСТЕМС», 1999.

10. Квєтній Р.Н. «Математичні МОДЕЛІ Розповсюдження ХВИЛЮ у волокон світловодах: Монографія» / Р.Н.Квєтній, Коцюбинський. - Вінниця: універсам, 2003.

11. Корнійчук В. І., Мосорін П. Д. «Волоконно-оптичні компоненти, системи передачі та мережі» Одеса: Друк, 2001.

12. Морозов «Оптичні кабелі», Вісник зв'язку, N 3,4,7,9, 1993.

13. Матвєєв О.М. «Оптика» [Навч. Посібник для фіз.спец. вузів]. - М.: Вища школа, 1985.

14. «Одномодові волоконні світловоди з модифікованою дисперсією» / О.В. Бєлов, А.С. Курков, С.І. Мірошниченко, В.А. Семенов / / Волоконна оптика. М.: Наука, 1993.

Размещено на Allbest.ru

Размещено на Allbest.ru