Волоконные световоды для связи (стр. 1 из 5)
Курсова работа
по оптике
на тему:
Волоконныесветоводы для связи
Содержание
Вступление
1. Общие сведения
2. Волоконно-оптические системы связи со спектральным уплотнением каналов
2.1 Источники света
2.2 Оптические усилители
2.3 Волоконные световоды
3. Подводные волоконно-оптические системы связи
4. Новые типы одномодовых волоконних световодов для перспективних линий связи
5. Требования к волоконным световодам для линий связи
5.1 Принципы передачи информации в волоконных световодах
5.2 Основные виды волоконных световодов
5.2.1 Многомодовые волоконные световоды
Многомодовые ступенчатые волоконные световоды
Многомодовые градиентные волоконные световоды
5.2.2 Одномодовые волоконные световоды
6. Значение волоконных световодов для связи
Вывод
Используемая литература
Вступление
волоконный световод хроматический дисперсия
Мысль, что в будущем основной средой передачи данных станет волоконная оптика, давно уже стала привычной.
Рынок волоконной оптики находится на подъеме. Подъем этот связан как с бурным развитием телекоммуникаций, где волоконно-оптические кабели повсюду уверенно теснят медные кабели, так и с очередным повышением интереса к волоконной оптике в области решений для локальных сетей. Отрасль стоит на пороге очередного технологического скачка, в результате которого эти решения должны стать еще более доступными для заказчиков.
Волоконные световоды благодаря их специфическим свойствам приобрели широкого распространения в современных системах автоматического контроля и управления разнообразными объектами, процессами и производством.
1. Общиесведения
Волоконный световод представляет собой тонкую кварцевую нить (диаметром около 0,1 мм), по которой за счет полного внутреннего отражения может распространяться свет. Затухания света в волокне очень малы (0,1-1,0 дБ/км) и, поэтому, волоконные световоды активно используются для передачи оптических сигналов на большие расстояния и в широкой полосе частот. Оптический сигнал, распространяясь по кварцевому волоконному световоду, не подвержен электромагнитным наводкам. Это свойство было использовано для создания пассивных волоконно-оптических датчиков, 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 дрейфов мощности излучения лазера и случайным затуханиям интенсивности света при изгибах волокна. По этой причине возникла идея использовать частоту в качестве информационного параметра. В этом случае измеряемый параметр изменяет частоту модуляции света, а не его амплитуду и, поэтому, такой сигнал не чувствителен к долговременным дрейфам и кратковременным флуктуациям интенсивности света в волокне.
В качестве преобразователя давления, ускорения, силы и т.д в частоту модуляции света используют механические микрорезонаторы. Чаще всего в качестве микрорезонатора используют микромостик, вытравленный в пластине из кремния и закрепленный с двух сторон. Измеряемое воздействие изменяет механическое напряжение внутри микрорезонатора и, следовательно, резонансную частоту его изгибных колебаний.
Колебания микрорезонатора регистрируются при помощи волоконно-оптического интерферометра, образованного частично отражающей поверхностью микрорезонатора и торцом волоконного световода. При колебаниях микрорезонатора меняется отражающая способность интерферометра и, поэтому, свет, отражённый обратно в волоконный световод, будет промодулирован на частоте колебаний микрорезонатора. По изменению частоты модуляции света, мы можем судить о значении измеряемой величины.
Возбуждение механических колебаний микрорезонатора осуществляется пульсирующим светом из волоконного световода. Микромостик покрыт слоем металла и, поэтому, когда его центральная часть нагревается оптическим излучением из волокна, микромостик изгибается. Колебания микрорезонатора могут возникнуть, если промодулировать свет с частотой, равной примерно частоте собственных колебаний микрорезонатора. Чтобы сигнал интерферометра не накладывался на возбуждающий оптический сигнал, их разносят по длинам волн излучения.
2. Волоконно-оптическиесистемысвяти соспектральнымуплотнениемканалов
Принцип работы таких систем виден на рис. 1. Излучение различных длин волн (в настоящее время, как правило, от независимых источников света), несущее для каждой из них свою информацию, вводится в один волоконный световод с помощью специального устройства - мультиплексора, усиливается оптическим усилителем и распространяется по волоконной линии связи. На выходе линии связи после оптического усилителя излучение разделяется по длинам волн с помощью демультиплексора.
Рис. 1. Принципиальная схема волоконно-оптической системы связи со спектральным уплотнением каналов
Остановимся коротко на некоторых параметрах этих систем. Полная скорость передачи информации:
В = Nb,
где N - число спектральных каналов; b - скорость передачи информации по одному каналу. В настоящее время величины b = 2.5; 5; 10; 20; 40 Гбит/с. Ведутся успешные работы по увеличению скорости передачи информации одного спектрального канала до 160 Гбит/с, при этом используется оптическое временное уплотнение информации. Число спектральных каналов достигает 100 и более. Полоса усиления современных оптических усилителей - 30-80 нм, она является одним из главных ограничений числа передаваемых каналов и полной скорости передачи информации. Что касается разности длин волн (частот) соседних каналов (нм), то в настоящее время эта величина находится, как правило, в диапазоне 0.2 (25 Ггц) - 0.75 (100 Ггц).
Терабитные скорости в системах со спектральным уплотнением каналов предъявляют вполне определенные требования к элементам таких систем, в первую очередь к источникам света, оптическим усилителям и волоконным световодам, используемым в настоящее время.
2.1 Источники света
Широкое распространение получили полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, однако у них есть существенный недостаток - чувствительность длины волны излучения к изменению температуры. Разность длин волн соседних спектральных каналов составляет долю нанометра, поэтому в случае использования полупроводниковых лазеров необходимо осуществлять их термостабилизацию, что удорожает стоимость всей системы. Точность фиксации длины волны источников света должна быть не хуже 0.05 нм. От подобного недостатка свободны волоконные лазеры, в частности эрбиевые, генерирующие излучение в спектральной области 1.53-1.62 мкм. Они накачиваются лазерными диодами и представляют собой эффективный и стабильный источник света для систем со спектральным уплотнением каналов. Еще одним перспективным источником является суперконтинуум, генерируемый в волоконных световодах посредством ряда нелинейных эффектов при возбуждении достаточно мощными фемтосекундными импульсами. Использование оптических фильтров позволяет получить необходимое количество источников света, отличающихся длинами волн на заданную величину.
В настоящее время применяются три их типа: полупроводниковые, эрбиевые волоконные и рамановские волоконные усилители. Первые из упомянутых пока не используются в системах со спектральным уплотнением каналов в силу их быстрой динамики усиления, приводящей к перекрестным помехам между различными спектральными каналами. Широко распространены эрбиевые волоконные усилители, полная спектральная полоса усиления которых составляет около 80 нм (С и L полосы усиления).
Кроме ширины полосы усиления важна плоскостность его спектральной характеристики. Это связано с тем, что во всех спектральных каналах должно быть одинаковое усиление. Как правило, ни один из усилителей не имеет плоской спектральной характеристики усиления, поэтому выравнивание спектра усиления осуществляется оптическими фильтрами различных типов.
Рамановские усилители перспективны в силу следующих принципиальных преимуществ:
- они могут усиливать на любой длине волны;
- в качестве их активной среды может использоваться сам волоконный световод;
- спектр их усиления зависит от спектра накачки, поэтому подбором источников накачки можно формировать очень широкую (более 100 нм) полосу усиления;
- низкий уровень шумов.
Основной же их недостаток - не очень высокая эффективность, приводящая к необходимости использовать довольно мощную непрерывную накачку (~1 Вт), чтобы получать усиление около 30 дБ (типичная величина для систем оптической связи). Только в последнее время разработаны высокоэффективные рамановские волоконные лазеры, работающие практически на любой длине волны в диапазоне 1.2-1.5 мкм, а также усилитель этого типа, использующий специальные волоконные световоды с большим содержанием германия и низкими оптическими потерями. Появилась возможность использовать гибридный усилитель, состоящий из распределенного рамановского и эрбиевого волоконного. С его помощью X.Масуда с соавторами получил полосу усиления свыше 80 нм (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 спектрального уплотнения каналов делает неизбежными жесткие требования к свойствам волоконных световодов, прежде всего к дисперсии и эффективной площади моды. Это связано с тем, что в данном случае значительно увеличивается суммарная мощность всех сигналов и в световоде происходят нелинейные явления, прежде всего 4-волновое смешение, вызывающее перекрестные помехи. Если в волоконный световод вводятся N длин волн, то за счет 4-волнового смешения появляются N2(N - 1)/2 новых длин волн. Если же в области вводимых длин волн дисперсия световода близка к нулю, то выполняется условие фазового синхронизма и процесс идет очень эффективно.