Конспект лекций по дисциплине восп для студентов специальности 210404 Многоканальные телекоммуникационные системы
 Скачать 4.71 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ ХАБАРОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОКОММУНИКАЦИЙ (ФИЛИАЛ) ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ» СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ  СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИУчебное пособие Часть 1 Конспект лекций по дисциплине ВОСП для студентов специальности 210404 «Многоканальные телекоммуникационные системы» Хабаровск 2007 Е.М. Некрасова. Конспект лекций по дисциплине «Волоконно-оптические системы передачи» (часть 1) для студентов среднего профессионального образования специальности 210404 «Многоканальные телекоммуникационные системы» - г. Хабаровск, ХИИК ГОУ ВПО СибГУТИ, 2007г В первой части учебного пособия рассматриваются преимущества и недостатки «Волоконно-оптических систем передачи», характеристики оптических волокон, источники излучения, приёмники излучения, модуляторы оптических сигналов, оптические усилители. Рецензент – заведующая кафедрой МТС ХИИК ГОУ ВПО «СибГУТИ» Кудашова Л.В, рассмотрено на методическом совете ХИИК ГОУ ВПО «СибГУТИ» СПО и рекомендовано к изданию. г. Хабаровск, 2007г. СОДЕРЖАНИЕ Стр. Введение. Преимущества ВОСП и недостатки ВОСП……………….………4 1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВОСП………….…………..……………….……7 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН.………………….…...9 2.1 Распространение света по волокну…….………………………..…….….9 2.2 Типы оптических волокон..……………………………………..……...…12 2.3 Затухание сигнала в волокне. Виды потерь в волокне ……………......17 2.4 Дисперсия и полоса пропускания…………………………………..…...243 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВОСП……………....………...32 3.1 Природа излучения света. Источники оптического излучения………..32 3.2 Принцип работы СИД ……..………………………………….…… ..…...35 3.3 Конструкции светодиодов для оптической связи………..……….…..….37 3.4 Основные характеристики СИД ….………………………………..…….39 3.5 Полупроводниковые лазеры (ППЛ)……….………………………..…….42 3.6 Модуляция оптических колебаний….…………………………….….…..52 3.7 Приемники оптического излучения…………………………..…….….…62 3.8 Технические характеристики фотоприёмников……..……………..…….673.9 Оптические усилители……….……………………………..………..……72 3.10 Полупроводниковые оптические усилители ППЛУ……………….……..……..753.11 Волоконные оптические усилители, легированные редкоземельными элементами………………………………………………………….……...…..79 3.12 Основные технические параметры оптических усилителей…………...85 3.13 Нелинейные оптические усилители……………………..………….…...90 ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.…………………….…...…94 ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ВВЕДЕНИЕ Главная задача XXI столетия – глобальная информатизация. Решение столь великой задачи потребует создания сетей связи и передачи данных, покрывающих всю Землю. Сюда будут вовлечены все известные средства связи: космические, наземные эфирные, включая быстро развивающиеся сотовые, кабельные. Основы таких сетей закладываются уже сегодня. Опорной частью всепланетарной системы связи стали волоконно-оптические линии. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи обусловлено рядом преимуществ, которыми обладает передача информации по оптическому волокну. Преимущества ВОСП
Недостатки ВОСП Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков вероятнее всего будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.
1 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВОСП Типовая схема системы связи, использующей ВОЛС, показана на рисунке 1.1 Аналоговый сигнал от телефонного аппарата поступает через абонентскую линию на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь (кодер) оцифровывает его в битовый поток. Цифровой сигнал от компьютера преобразуется в аналоговый с помощью модема и также поступает на узел коммутации.  Рисунок 1.1- Структурная схема ВОСП Мультиплексор объединяет в общий цифровой поток оцифрованный телефонный сигнал, данные от компьютеров, сигналы цифрового вещания, телевидения, видео, телеграфные, факсимильные сигналы и т. д. Роль мультиплексора выполняет оборудование многоканальной системы передачи: синхронные (SDH) или плезиохронные (PDH) ЦСП. Цифровой электрический сигнал от мультиплексора поступает в оптический передатчик, где он преобразуется в оптический сигнал и поступает в оптическое волокно. Для увеличения дальности связи в оптическом тракте могут быть использованы оптические усилители и (или) повторители. Повторитель состоит из оптического приёмника, электрического регенератора и оптического передатчика. При этом происходит не только усиление сигнала, а также восстановление формы сигнала и очищение его от помех. Оптический усилитель усиливает оптический сигнал, не преобразуя его в электрический, при этом не происходит восстановление формы импульсов. На приёме импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приёмника. Демультиплексор распределяет многоканальный сигнал по потребителям. Декодер преобразует цифровой электрический сигнал обратно в аналоговый сигнал. Часто кодеры и декодеры, мультиплексоры, а также оптические передатчики и приёмники совмещаются в одном устройстве и носят название оптического мультиплексора. 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300 000 км/с в вакууме. Отношение с/v = n - это есть показатель преломления света в веществе. Луч света, распространяющийся в среде с показателем преломления n1, и падающий на границу со средой, имеющей меньший показатель преломления n2, преломится и продолжит своё движение во второй среде (рисунок 2.1, луч 1). Если угол падения светового луча j1 увеличить, то увеличится и угол преломления j2. При j2 = 90° преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела двух сред. Угол падения, при котором это происходит, называется углом полного внутреннего отражения (луч 2 на рисунке 2.1). Если угол падения больше угла полного внутреннего отражения, то световой луч (луч 3) не заходит в среду с меньшим показателем преломления, а полностью отражается вовнутрь. Именно этот принцип полного внутреннего отражения позволяет оптическим волокнам проводить свет.  луч 2 Рисунок 2.1 Волокно состоит из сердцевины (сердечника) и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Показатель преломления сердечника n1, а оболочки n2, причем всегда n1 > n2. Рассмотрим ход лучей света в волокне (рисунок 2.2): Предположим, что θ1 – угол падения луча света, аθ2 - угол преломления этого луча. Так как n1 >n2, то существует критический угол падения Q1 = θс, при котором угол преломления Q2 будет равен 90 градусов (Sin90=1), при этом свет не будет выходить в оболочку.  Рисунок 2.2 – Ход лучей света в волокне Тогда согласно закону Снеллиуса :  (2.1)θс = arcsin (n2 / n1) (2.2) Если угол падения на границе раздела меньше критического угла падения (Луч 2), то при каждом внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу, что приводит к затуханию света. Необходимо учесть, что свет вводят в торец волокна, При этом на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломлённый его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью отражаться от боковой поверхности. Возникает вопрос, под каким же углом надо вводить луч в волокно? Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец ОВ, так как ОВ пропускает лишь свет, заключённый в пределах телесного угла θA. Этот телесный угол характеризуется апертурой. Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волокна, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. Угол ввода светового потока в оптическое волокно должен быть меньше апертурного. Таким образом, апертура световода – это максимальный возможный угол ввода лучей на торец световода. Обычно пользуются понятием числовой апертуры: NA = n0 · Sin θ A. (2.3) Для воздуха n0 = 1.Для волокна со ступенчатым профилем значение числовой апертуры выражается через показатели преломления: NA = Sin θ A =  (2.4)Для кварца n1 ≈ 1,47, n2 ≈ 1,46, NA = 0,17, θ A ≈ 100. Один из важнейших параметров, характеризующий волокно, это – относительная разность показателей преломления Δ Δ =  (2.5)В волоконном световоде могут существовать три типа волн – направляемые, излучаемые и вытекающие. Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Энергия направляемых лучей не рассеивается наружу, и такие лучи могут распространяться на большие расстояния. Излучаемые волны возникают за счёт лучей, введённых вне апертуры, и уже вначале линии они излучаются в окружающее пространство. Вытекающие волны (лучи оболочки) частично распространяются вдоль световода, а часть излучается в окружающее пространство. В современных волокнах обычно показатель преломления оболочки n2 меньше n1 (показателя преломления сердцевины) на 0,36%, то есть:  Режим работы ОВ зависит от нормированной частоты  , значение которой рассчитывается по формуле:  (2.6)где ас - радиус сердцевины ОВ. В случае, если < 2.405 - то в волокне будет распространяться только одна мода (одномодовый режим). С увеличением значения нормированной частоты число распространяющихся мод в ОВ возрастает, т. е, при > 2,405 - режим многомодовый.В случае, если: 2.405 < < 3,832 – то в ОВ распространяется 4 моды.Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется только одна мода, называется волоконной длиной волны отсечки, значение которой определяется из выражения как:  (2.6)Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. 2.2 Типы оптических волокон Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории: многомодовое (MMF) и одномодовое (SMF). Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные волокна (SF), на волокна со смещённой дисперсией (DSF), и на волокна с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF). Многомодовое оптоволокно. У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50--1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется межмодовой дисперсией. В ступенчатом ОВ, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рисунке 2.3.  Рисунок 2.3 – Ход лучей света в волокне В градиентном ОВ коэффициент преломления плавно понижается от центра границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект межмодовой дисперсии намного ниже, чем в ступенчатом (рисунок 2.3). Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна.  Рисунок 2.4 – Конструкции различных волокон Очевидно, что величина дисперсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20-30 MГц на километр (MГц/км), в то время как для градиентных ОВ она находится в диапазоне 100-1000 MГц/км. Многомодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20-30 MГц/км. Одномодовое оптоволокно Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего от 7 до 10 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рисунок 2.4). Достоинства многомодовых ОВ по сравнению с одномодовыми:
Недостатки многомодовых ОВ:
Дисперсия многомодового ОВ много больше, чем одномодового. Чем меньше значение дисперсии, тем больше поток информации может быть передан по ОВ. Вывод: Повышенное затухание и малая полоса пропускания являются причиной того, что на основе многомодовых ОВ строятся, главным образом, местные, локальные и внутриобъектовые относительно низкоскоростные ВОСП. Достоинства одномодовых ОВ:
Вывод: Одномодовые ОВ применяют в подавляющем большинстве современных ВОСП, работающих чаще всего на базе аппаратуры SDH, благодаря чему имеется возможность создавать высокоскоростные высоконадежные магистральные и местные цифровые сети. Волоконные световоды характеризуются двумя важнейшим параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери), и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше расстояние между повторителями (длина регенерационного участка). Кроме того, дисперсия приводит к ограничению полосы передачи по световоду. 2.3 Затухание сигнала в волокне. Виды потерь в волокне Свет по мере распространения в оптическом волокне постепенно ослабевает. Это явление называется затуханием ОВ. Затухание светового сигнала определяется по формуле: α =  , дБ/км. (2.7)где l – длина световода; Pвх - мощность светового сигнала на входе ОВ; Pвых- мощность светового сигнала на выходе ОВ. Чем выше затухание, тем меньше дальность передачи сигнала по ОВ. Ослабление сигнала в ОВ  обусловлено собственными потерями  и дополнительными потерями (кабельными)  . Кабельные потери обусловлены непостоянством размеров поперечных сечений сердцевины ОВ по длине и неровностями границы раздела сердцевина-оболочка, они связаны также с наличием микро и макроизгибов ОВ.  Рисунок 2.5 – Классификация потерь в оптическом волокне Макроизгибы обусловлены скруткой ОВ вдоль всего оптического кабеля. На изгибе нарушается условие полного внутреннего отражения. Такой луч преломляется и рассеивается в окружающем пространстве (оболочке). Потери от микроизгибов возникают в результате случайных отклонений волокна от его прямолинейного состояния. Размах таких отклонений составляет менее 1 мкм, а протяженность - менее миллиметра. Подобные случайные отклонения могут появляться в процессе наложения защитного покрытия и изготовления из стекловолокон кабеля, в результате температурных расширений и сжатий непосредственно волокна и защитных покрытий. Собственные потери ас состоят из трёх составляющих:  (2.7)ап - ослабление за счёт поглощения; апр - ослабление за счёт наличия в материале ОВ постоянных примесей; ар - ослабление за счёт потерь на рассеяние.  Рисунок 2.6 – Спектр света Для того, чтобы понять природу потерь на поглощение, надо вспомнить чем представлен спектр света (рисунок 2.6). Спектр света представлен инфракрасными лучами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами. Инфракрасная часть спектра оптического сигнала делится на 3 поддиапазона: ближний, средний и дальний. К среднему относится тепловое излучение, которое создаётся любым нагретым объектом (солнцем, отопительными приборами, теплокровными существами.) В электронике и связи чаще всего используют ближнюю часть инфракрасного диапазона (см. рисунок 2.6) Как известно, стекло очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. Потери света в видимом диапазоне меньше, чем в ультрафиолетовом, но ещё достаточно велики, что не позволяет использовать их для передачи по оптическому кабелю. Так называемое ультрафиолетовое поглощение простирается вплоть до длины волны 1,3 мкм, где оно имеет минимальное значение. На длинах волн меньших 1,3 мкм имеет место ультрафиолетовое поглощение, а на длинах волн, больших 1,3 мкм - инфракрасное поглощение, которое с увеличением длины волны растет. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным Таким образом, минимальное затухание в ОВ имеет оптический сигнал в диапазоне 0,8 – 1,7 мкм (в ближнем поддиапазоне инфракрасного диапазона). Поскольку свет является электромагнитной волной, то механизм поглощения связан с поведением диэлектрика в электрическом поле (диэлектрической поляризацией). Это означает, что под действием света происходит поворот связанных зарядов молекул стекла относительно центров связи, на что затрачивается энергия световой волны, этим обусловлены потери на поглощение. Для изменения показателя преломления волокна используются различные легирующие добавки. Некоторые из них, например, бор (В2О3) имеют большее естественное поглощение, а некоторые, например, германий (GeO2) - меньшее. В настоящее время при производстве стекловолокон используют легирующие добавки с низкими потерями на поглощение. Потеря энергии также существенно возрастает из-за наличия в материале ОВ постоянных примесей  , таких, как ионы металлов Fe, Ni, Cr, V, Cu и других включений.Более существенной в отношении поглощения примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН-. На содержание ионов ОН- в стекле влияет процесс его изготовления. Примесями вызваны максимумы потерь на длинах волн 0,95 и 1,39 мкм (рисунок 2.8). На ранних этапах развития оптических волокон большую часть примесей составляли ионы металлов. Но в настоящее время эти примеси существенно малы в современных высококачественных волокнах, и единственной оставшейся значительной примесью является гидроксильная группа ОН. Рассеяние света в волоконном световоде в основном обусловлено наличием в материале сердечника мельчайших (около одной десятой доли длины волны) случайных неоднородностей. Эти неоднородности рассеивают свет во всех направлениях (рисунок 2.7). Часть рассеянного света выходит из сердцевины волокна, а часть может отразиться назад к источнику. Согласно закону Рэлея с увеличением длины волны потери на рассеяние уменьшаются:   Рисунок 2.7 – Природа Релеевского рассеяния Такое рассеяние присутствует в любом волоконном световоде и получило название Релеевского рассеяния. Оно обратно четвертой степени длины волны. Легирующие добавки, которые необходимы для изменения показателя преломления сердечника световода, увеличивают степень неоднородности стекла. Наибольший интерес представляет зависимость затухания ОВ от длины волны (рисунок 2.8).  |