додати матеріал


Оптичні волокна

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Оптичне волокно вважається найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самої перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані.
Науково-технічний напрям, що займається розробкою і застосуванням оптичних світловодів, називається волоконної оптикою.
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 пов'язані волоконними лініями зв'язку з Америкою. США через Гавайські острови і острів Гуам - з Японією, Новою Зеландією та Австралією. У мережу тихоокеанських ВОЛЗ увійшли Тайвань, Гонконг, Малайзія, Сінгапур, Філіппіни, Бруней, Таїланд, а також Корея і КНР. Волоконно-оптична лінія зв'язку з'єднує Японію та Корею з Далеким Сходом Росії. На заході Росія пов'язана з європейськими країнами ВОЛЗ С.-Петербург - Кінгісепп - Данія і С.-Петербург - Виборг - Фінляндія, на півдні - з азійськими країнами ВОЛЗ Новоросійськ - Туреччина. У Європі, також, як і в Америці, ВОЛЗ давно вже знайшли найширше застосування практично у всіх сферах зв'язку, енергетики, транспорту, науки, освіти, медицини, економіки, оборони, державно-політичної та фінансової діяльності.
ОПТИЧНЕ ВОЛОКНО ЯК СЕРЕДОВИЩЕ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ
Оптичне волокно (ВВ) є середовищем передачі інформації в оптичних системах зв'язку. Перше оптичне волокно з втратами 20 дБ / км (на довжині хвилі 0.633 мкм) було виготовлено фірмою Corning Glass Works в 1970 р. Проте прогрес в цій області був настільки стрімкий, що вже в 1972 р. втрати в ОВ досягли 4 дБ / км, а сучасні волокна мають втрати менш 0.2 дБ / км (на довжині хвилі 1.55 мкм). Причому настільки малі втрати сигналу зберігаються в дуже широкому діапазоні частот модуляції світла та зменшення амплітуди сигналу зі зростанням частоти модуляції обумовлено дисперсією, яка для сучасних волокон зі зміщеною дисперсією складає величину порядку 3 пс / нм.км. Таким чином, смуга пропускання власне волокна може перевищувати 100 ГГц.км. Спочатку волокно, що отримується в процесі виготовлення, було виключно крихким. Для його функціонування в якості надійного високоякісного компонента системи, волокно не повинно мати вад і бути захищеним від механічного впливу. Перед провідними вченими всього світу протягом багатьох років стояла, як основну, складне завдання розвитку технології виробництва для досягнення високої механічної міцності, надійності і високоякісних передавальних характеристик оптичних волокон. Ці завдання в даний час успішно вирішені. Сучасне волокно може бути зав'язано у вузол діаметром 5 мм і при цьому не руйнується. Технічні ж характеристики сучасних ВВ в плані передачі інформації настільки високі, що вони знаходяться поза конкуренцією з іншими середовищами передачі даних. Розвиток поколінь волоконної оптики йшло наступним чином:
Системи першого покоління (1978-1982):
Довжина хвилі 0,85 mм,
Многомодовое градієнтне волокно,
AlGaAs / GaAs світлодіодний або лазерний передавач, кремнієвий детектор.
Системи другого покоління (1983>):
Довжина хвилі 1,3 mм,
Одномодовое волокно,
InGaAsP / InP лазерний (або світлодіодний) передавач, Ge детектор.
Системи третього покоління (1989>):
Довжина хвилі 1,3 mм, 1,55 mм,
Одномодовое волокно (також волокно зі зміщеною дисперсією),
InGaAsP / InP лазерний передавач, InGaAsP / InP детектор.
.

Конструкція оптичного волокна

Оптичне волокно складається з световедущей серцевини, оточеної оболонкою, які мають різні показники заломлення.
Обидва елементи виробляються з високочистого кварцового скла. Отримане в процесі витяжки оптичне волокно потім покривається одним або двома шарами захисного пластикового покриття, поширеним матеріалом для якого є акрилат. Від покриття залежить міцність волокна. В основі поширення світла по сердечникові лежить принцип повного внутрішнього відображення, який реалізується за рахунок того, що коефіцієнт заломлення осердя вище коефіцієнта заломлення оболонки. На вході волоконно-оптичного тракту модульований джерело світла перетворює вхідні електричні сигнали в модульований (як правило по інтенсивності) світло, що поширюється по волокну, пов'язаному з джерелом. На іншому, приймаючому кінці лінії оптичні сигнали перетворюються фотодетектором назад в електричні сигнали. На лініях великої протяжності іноді використовуються регенератори, що складаються з приймача, підсилювача і передавача. У сучасних Волоконно оптичних лініях зв'язку також знаходять застосування оптичні підсилювачі.
Оптичне волокно являє собою циліндр з легованого кварцового скла. Для передачі сигналів використовуються два види волокна: одномодове і багатомодове. Назва волокна отримали від способу розповсюдження випромінювання в них. У одномодовом волокні діаметр световодной жили порядку 8-10мкм, тобто порівняємо з довжиною світлової хвилі. При такій геометрії у волокні може розповсюджуватися тільки один промінь (одна мода) (рис.1).

рис.1
Рис.1
У багатомодового волокна розмір световодной жиди порядку 50-60мкм, що робить можливим поширення великої кількості променів (багато мод) (рис.2).
рис.1
Рис.2
Обидва типи волокна характеризуються двома найважливішими параметрами: загасанням і дисперсією. Згасання зазвичай вимірюється в дБ / км і визначається втратами на поглинання і розсіяння випромінювання в оптичному волокні. Втрати на поглинання залежать від чистоти матеріалу, а на розсіювання - від неоднорідностей показника заломлення матеріалу.
рис.2
Рис.3
Інший найважливіший параметр оптичного волокна - дисперсія. Дисперсія - це розсіювання в часі спекртальних і модових складових оптичного сигналу. Існує три типи дисперсії:
модовая дисперсія - властива багатомодовому волокну і обумовлена ​​налічіембольшого числа мод, час поширення яких по-різному.
матеріальна дисперсія - обумовлена ​​залежністю показника заломлення від довжини хвилі.
волноводная дисперсія - обумовлена ​​процесами всередині моди і характеризується залежністю швидкості поширення моди від довжини хвилі.
Згасання і дисперсія в різних типів оптичних волокон різні, Одномодовий волвкна володіють кращими характеристиками по загасання і по смузі прокусканія, так як в них поширюється тільки один промінь. Однак, одномодові джерела випромінювання в кілька разів дорожче багатомодових. У одномодове волокно важче ввести випромінювання через малих розмірів световодной жили, з цієї причини одномодові волокна складно зрощувати з малими втратами.
Оскільки світлодіод або лазер випромінює певний спектр довжин хвиль, дисперсія приводить до розширення імпульсів при поширенню по волокну і тим самим породжує спотворення сигналів. При оцінці користуються терміном "смуга пропускання" - це величина, зворотна до величини уширення імпульсу при проходженні їм по оптичному волокну відстані в 1 км. Вимірюється смуга пропускання в МГц * км. З визначення смуги пропускання видно, що дисперсія накладає обмеження на дальність передачі і на верхню частоту переданих сигналів.

Якщо при поширенні світла по багатомодовому волокну як правило переважає модовая дисперсія, то одномодовому волокну притаманні тільки два останніх типи дисперсії. На довжині хвилі 1.3 мкм матеріальна і хвильове дисперсії в одномодовом волокні компенсують один одного, що забезпечує найвищу пропускну здатність.

Згасання і дисперсія в різних типів оптичних волокон різні. Одномодові волокна володіють кращими характеристиками по загасання і по смузі пропускання, тому що в них поширюється тільки один промінь. Однак, одномодові джерела випромінювання в кілька разів дорожче багатомодових. У одномодове волокно важче ввести випромінювання через малих розмірів световодной жили, з цієї ж причини одномодові волокна складно зрощувати з малими втратами. Оконцевание одномодових кабелів оптичними роз'ємами також обходиться дорожче.

Багатомодові волокна більш зручні при монтажі, так як у них розмір световодной жили в кілька разів більше, ніж в одномодових волокнах. Багатомодовий кабель простіше оконцевать оптичними роз'ємами з малими втратами (до 0.3 dB) в стику. На багатомодове волокно розраховані випромінювачі на довжину хвилі 0.85 мкм - найбільш доступні і дешеві випромінювачі, що випускаються в дуже широкому асортименті. Але затухання на цій довжині хвилі у багатомодових волокон знаходиться в межах 3-4 dB / км і не може бути суттєво покращена. Смуга пропускання у багатомодових волокон досягає 800 МГц * км, що прийнятно для локальних мереж зв'язку, але не достатньо для магістральних ліній.

Параметри оптичних волокон

Геометричні параметри оптичних волокон.
Серед геометричних параметрів ОВ виділяють параметри кварцового світловоду і параметри покриття. Перші є найбільш суттєвими і визначають тип світловода. Найбільш важливий параметр ОВ - діаметр серцевини, оскільки геометричні розміри і профіль показника заломлення серцевини визначають Модовий складу ВВ. Під діаметром серцевини розуміють діаметр центральної області ВВ з високим значенням показника заломлення. Під діаметром серцевини розуміють діаметр за рівнем 0.1 від максимального значення коефіцієнта заломлення (на осі ОР). Структура ВВ з зазначенням типових параметрів показана на мал.4.

Рис.4. Структура оптичного волокна
Крім перерахованих вище, до геометричних параметрів належать: довжина волоконного світловода, некруглого (овальність) серцевини (для МОВ), некруглого (овальність) оболонки, неконцентричність (некоаксіальность, концентричність, коаксіальний) серцевини і оболонки, концентричність (коаксіальний, неконцентричність, некоаксіальность) покриття.
Оптичні параметри волокон.
До оптичним параметрами ОВ віднесемо такі характеристики:
- Коефіцієнт (показник) заломлення серцевини і оболонки
- Різниця показників заломлення
- Відносна різниця показників заломлення
- Груповий показник заломлення, ефективний груповий показник заломлення
- Профіль показника заломлення
- Діаметр модового поля (для ООВ)
- Числова апертура, довжина хвилі зрізу (для ООВ)
Коефіцієнт заломлення є однією з основних фізичних характеристик оптичних середовищ і дорівнює кореню квадратному з відносної діелектричної проникності середовища для електромагнітних хвиль оптичного діапазону. Природно, показник заломлення залежить від хімічного складу речовини і має різне значення для різних довжин хвиль поширюється світла. Так для чистого кристалічного кварцу в діапазоні довжин хвиль 185 - 3000 нм показник заломлення для звичайного і незвичайного променів змінюється от1.676 до 1.499 і от1.689 до 1.507 відповідно.
В оптичних волокнах застосовується плавлений кварц, а необхідний показник заломлення досягається шляхом легування кварцу. Типові значення показника заломлення лежать в діапазоні 1.46 - 1.47. При цьому відмінність показника заломлення серцевини від показника заломлення оболонки становить близько 1% для багатомодових ОВ і менше 0.4% для одномодових. Загальноприйняті позначення для показника заломлення серцевини - n1, оболонки - n2. Різниця показників заломлення серцевини n1 і оболонки n2 має типове значення порядку 0.01 для МОВ, менш 0.004 для ООВ, позначається Dn і обчислюється за формулою:
Dn = n1 - n2
де n1 - максимум показника заломлення серцевини ОВ,
n2 - показник заломлення оболонки.
Під відносної різницею показників заломлення D розуміють величину, рівну відношенню різниці показників заломлення серцевини і оболонки до показника заломлення серцевини:
D = (n12 - n22) / 2n12 »(n1 - n2) / n1
Ефективний груповий показник заломлення. У волоконно-оптичних лініях зв'язку передаються імпульсні сигнали, які мають досить складним спектром. При цьому кожна хвиля, відповідна деякої спектральної складової, рухається зі своєю фазовою швидкістю Vф. У результаті хвильовий пакет, або імпульс, рухається з груповою швидкістю Vгр. Для поширення імпульсу в нескінченній середовищі з показником заломлення n вірні наступні співвідношення:
Vф = c / n, (2.5) Vгр = c / nгр, (2.6) nгр = n - l (dn / dl), (2.7)
де l і c - довжина хвилі і швидкість світла у вакуумі,
nгр - груповий показник заломлення,
dn / dl - похідна показника заломлення по довжині хвилі світла.
Аналогічно для світловода ефективний груповий показник заломлення вводиться як коефіцієнт, що показує у скільки разів швидкість розповсюдження імпульсних сигналів по світловод менше швидкості світла у вакуумі. При цьому групова швидкість для m-й моди ОВ обчислюється як похідна кутової частоти світла за постійною поширення m-й моди:
Vгр = dw / dbm = - (2pc/l2) Ч (dl / dbm),
де w - кутова частота світла,
bm - стала поширення m-й моди.
Перші (багатомодові) ОР виготовлялися з профілем показника заломлення (ППП) у вигляді ступінчастої функції, показано на рис.5). Наступним кроком в розвитку технології виробництва світловодів було виготовлення ВВ з градієнтним ППП (ріс.5б)), що володіють істотно меншою межмодовой дисперсією і, як наслідок, більш ніж на порядок збільшеною смугою пропускання (десятки МГц / км для ступінчастих МОВ і порядку одного ГГц / км для градієнтних МОВ). У градієнтних МОВ, також як і у східчастих, діаметр серцевини становить 50 мкм, однак, показник заломлення змінюється плавно, за законом, близьким до параболическому. Як було показано в численних дослідженнях, саме такий ППП забезпечує мінімальне дисперсійне спотворення сигналу. Цей факт докладніше буде розглянуто пізніше при обговоренні дисперсійних характеристик ОВ.

Рис.5. Профіль показника заломлення МОВ (а), б)) і ООВ (в), г)).
Серед одномодових ОВ можна виділити волокна з незміщеної і зі зміщеною дисперсією, для яких ППП істотно відрізняється - ріс.5в) і ріс.5г) відповідно.
Діаметр модового поля.
Радіальна залежність амплітуди поля фундаментальної моди HE11 (LP01) одномодового ОВ носить плавно спадаючий характер і близька до гауссовой законом (ріс.6б)). Під діаметром модового поля розуміють подвоєне відстань між точкою на перетині ОВ, в якій амплітуда поля моди максимальна і точкою, в якій амплітуда поля моди менше максимального значення в е (е = 2.718) разів.

Рис.6. Розподіл інтенсивності по перетину а) і радіальний розподіл поля E б) для мод LP01 і LP11; в) - зріз ОВ (співвідношення діаметра серцевини і оболонки не дотримано).
Похибка концентричності модового поля визначається як відстань (на перетині ОВ) між центром модового поля і центром кола перетину зовнішньої поверхні оболонки ОР. Похибка концентричності модового поля вимірюється в абсолютних величинах і не повинна перевищувати 1 мкм.
Числова апертура.
Для багатомодових волокон числова апертура NA визначається як синус найбільшого кута Jm меридіанного променя, який може направлятися волокном:
NA = sin Jm
Тут Jm - кут у вільному просторі щодо осі ВВ, тобто кут введення оптичного випромінювання в ОВ. Меридіанний промінь - промінь, що лежить в площині осі ОВ. Числова апертура може бути розрахована через показники заломлення серцевини n1 і оболонки n2:
NA = (n12 - n22) 1 / 2
У висновку хотілося б навести один цікавий приклад виготовлення оптичних волокон на основі фотонних кристалів.
Створення фотонних кристалів і оптичних волокон ("дірчастих» світловодів) на їх основі є одним з найбільш значних доствіженій оптичних технологій останніх років. Цей науковий напрям в даний час бурхливо розвивається: у світі стрімко зростає кількість наукових груп, що займаються дослідженнями фотонних кристалів, відкриваються нові потенційні області їх застосування.
В даний час відомі два типи волоконних світловодів зі структурою фотонних кристалів. Це волоконні світловоди з суцільною световедущей житлової, про які згадувалося вище, і волоконні світловоди з порожнистої световедущей жилою. У Росії і ті, і інші називаються дірчастими волокнами, хоча насправді між ними існує важлива відмінність у механізмах, які забезпечують волноведущих властивості світловодів.
Дірчастий світловод з суцільною световедущей житловий являє собою серцевину з кварцового скла в оболонці з фотонного кристала (кварцове скло з повітряними порожнинами-каналами), що має більш низький середній коефіцієнт заломлення по відношенню до жили. Тому волноведущих властивості таких світловодів забезпечуються одночасно двома ефектами: повного внутрішнього відображення, як у звичайних світловодах, і зонними властивостями фотонного кристала. Наявність оболонки у вигляді фотонного кристала істотно відрізняє дірчасті волокна від звичайних волоконних світловодів.


Рис. 7. Поперечний перетин дірчастої волокна із суцільною световедущей житлової в центрі
Рис. 8. Поперечний перетин дірчастої волокна з порожнистої световедущей житловий
Дірчасті світловоди з великим діаметром световедущей жили також можуть використовуватися в якості середовища передачі світлових потоків високої інтенсивності.
Завдяки своїм унікальним властивостям дисперсійним, дірчасті світловоди вже знаходять своє застосування в якості компенсаторів дисперсії у волоконних системах зв'язку. Вони досить легко і з малими втратами приварюються до стандартного оптичного волокна і суміщаються з іншими елементами волоконно-оптичних систем.
На дірчасту волокні з малими розмірами відповідної жили знижуються пороги всіх нелінійних ефектів, що представляє великий інтерес для створення ефективних раманівська лазерів та підсилювачів, генераторів континууму і оптичних перемикачів. Дуже привабливою є ідея створення генератора суперконтінуума - джерела білого світла з дуже високою енергетичною яскравістю. Такі джерела можуть застосовуватися в DWDMсістемах, а також у спектроскопії та метрології.
Технологія виготовлення дірчастих волоконних світловодів з порожнистої световедущей житловий практично не відрізняється від технології аналогічних світловодів із суцільною световедущей жилою. Основна відмінність цього волокна полягає в тому, що световедущей жила представляє собою не кварцовий стрижень, а повітряну порожнину з діаметром, що перевищує діаметр d регулярних повітряних каналів в оболонці (рис. 8). Така структура може направляти випромінювання видимого та ближнього ІЧ діапазонів. У цьому випадку хвилепровідий режим забезпечується виключно зонної структурою фотонного кристала. Властивості дірчастих світловодів з порожнистої световедущей житловий (втрати, дисперсійні і нелінійні характеристики) вивчені недостатньо. Ясно лише те, що світло в таких світловодах, на відміну від стандартних, поширюється переважно в порожнистої серцевині, а не за кварцу. Здавалося б, що втрати в таких світловодах повинні бути дуже низькими, тому що матеріальне поглинання і розсіяння релеевское в повітрі незначні в порівнянні з кварцовим склом.
Дірчасті світловоди з суцільною световедущей житлової в найближчі роки можуть знайти практичне застосування в широкосмугових волоконно-оптичних мережах в якості середовища передачі оптичних сигналів і функціональних пристроїв волоконних мереж зв'язку.
Висновок
Ми розглянули будівлю і основні характеристики оптичних волокон. Хотілося б додати щось оптичні волокна застосовуються ще й для отримання всіляких світлових ефектів зокрема: світлове оформлення, дизайн, реклама. Широкому застосуванню сприяє безпека застосування елементів волокна. Крім того їх використовують в різних медичних приладах таких як зонди. Використання таких волокон дозволяє поліпшити кут зору приладу до 120 градусів, а кут повороту розширити до 4-х напрямків.
Ще оптичне волокно широко використовується при створенні локальних обчислювальних мереж, а в оптичних лініях зв'язку завдяки оптичних волокнах дуже низький рівень шумів, відповідно вища якість.
Аналізуючи вищевикладені особливості оптичних хвилеводів, ми переконалися, що є підстави вважати, що Оптичне волокно вважається не тільки самої досконалої фізичної середовищем для передачі інформації, але і найперспективнішої середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані.

План

1. Введення
- Оптичне волокно, як середовище передачі даних.
2. Конструкція оптичного волокна
3. Параметри оптичних волокон:
- Геометричні
- Оптичні
4. Висновок:
- Оптичні волокна на основі фотонних кристалів.
Список використаної літератури:
1. «Волоконно-оптичні системи» Довідник під ред. Гроднева І.І. 1993
2. «Волоконно-оптичні лінії зв'язку» Довідник під ред. Свєчникова С.В., 1999 р.
3. «Фотонні кристали та оптичні волокна на їх основі» Фотон-Експрес Потапов В.Т. 2003р.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
43.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Оптичні рефлектометри Оптичні вимірювачі потужності
Волокна
Синтетичні волокна
Штучні та синтетичні волокна
Природні і синтетичні волокна
Процеси нитки і волокна в ОС Windows
Отримання мідноаміачного волокна целюлози хімічним методом
Модифікування ПАН волокна з метою зниження горючості
Вплив умов вирощування на довжину волокна у зразків бавовнику
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru