Учебное пособие по дисциплине. Учебное пособие в оронеж 2006 Воронежский государственный технический университет Е. И. Воробьева

• Название: Учебное пособие в оронеж 2006 Воронежский государственный технический университет Е. И. Воробьева
• Дата: 17.11.2022
• Размер: 5.5 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие по дисциплине.doc
• Тип: Учебное пособие; #792926
• страница: 17 из 21

3.6 Волоконно-оптические системы связи

Работы в области оптической связи активно начали развиваться с 1960 года, когда появились лазерные источники света. Однако до 1970 года вопрос практического использования волоконно-оптических систем связи (ВОСС) не рассматривался ввиду отсутствия оптического волокна с малым затуханием светового сигнала (менее 20 дБ/км). В настоящее время уже выпускаются волокна с коэффициентом затухания 0,5 дБ/км для передачи сигнала на длине волны 1,2 мкм и создание волоконно-оптических систем связи стало реальностью. Одним из достоинств волоконно-оптических систем связи является использование больших длин линий между ретрансляторами и возможность передачи данных большой информационной емкости, что значительно снижает стоимость систем связи.

3.6.1 Оптическое волокно и особенности распространения светового потока в оптическом волокне

Важнейшим компонентом ВОСС является оптическое волокно. В большинстве случаев оно изготавливается из стекла (SiO₂ Si- кремний, О₂ - кислород), содержащего различные добавки. Эти добавки вводятся для того, чтобы контролировать показатель преломления стекла. Большинство волокон имеют цилиндрическую форму, с показателем преломления n_c сердцевины немного большим показателя преломления оболочки n₀. Профиль такого волокна показан на рисунке 3.54


Рис.3.54 Структура оптоволокна
Различают волокна ступенчатые и градиентные. Профили показателей преломления ступенчатого и градиентного волокон показаны на рисунке 3.55


Рис. 3.55 Профили показателей преломления ступенчатого и градиентного волокон
Показатель преломления n(r) для ступенчатого волокна
,
показатель преломления градиентного волокна
,
где .

Коэффициент  для различных волокон с различными добавками равен 2

Одномодовое волокно обычно имеет радиус сердцевины а порядка одной длины волны =1,21,6 мкм.

Многомодовое волокно – это волокно, радиус сердцевины а которого значительно превышает одну длину волны  и обычно составляет 2550 мкм.

В многомодовом волокне могут распространяться сотни и тысячи мод. При этом каждая мода обладает своей собственной групповой скоростью, что в итоге может приводить к расширению короткого светового импульса передаваемого по оптическому волокну и, следовательно снижает количество передаваемой информации, т.е. снижает пропускную способность. Это явление называют дисперсией мод. Для снижения дисперсии мод вводят волокно с градиентным показателем преломления (градиентное волокно), в котором разница в групповых скоростях компенсируется и все моды имеют приблизительно одинаковую групповую скорость.

Повысить пропускную способность ВОСС можно также используя одномодовое ступенчатое волокно, но их, из-за малых размеров сердцевины 01,2 мкм, трудно сращивать.

Распространение света по оптическому волокну можно схематично представить как показано на рисунке 3.56


Рис. 3.56 Распространение света по оптическому волокну
Пусть _M- максимальный угол ввода световых лучей в оптическое волокно. Тогда _M- это критический угол, выходя за который лучи света не будут собираться в пучок. На основе законов преломления световых лучей на границах воздух-волокно и сердцевина-оболочка получим

,
решая совместно эти уравнения имеем
,
где NA –числовая апертура волокна. Поскольку разница между показателем преломления сердцевины n_с и оболочки n₀ обычно очень мала, можно записать

,

где

Если допустить, что , то видно, что величина (числовая апертура) NA представляет собой максимально допустимый угол, в пределах которого все лучи будут введены в волокно. Например, для NA=0,2 максимально допустимый угол равен 11 градусов. Все лучи, образующие с центральной осью углы больше максимально допустимого, соответствуют модам высших порядков и распространяются по более длинным путям, чем те лучи, которые распространяются вдоль центральной оси. В градиентном волокне, за счет введения специальных добавок к стеклу, скорость лучей, распространяющихся не вдоль центральной оси, увеличивается и в результате разница во времени прохождения лучей будет незначительна т.е. проходит выравнивание скоростей различных мод и снижение дисперсии мод.

В процессе прохождения световых лучей по оптическому волокну могут возникать различные эффекты, влияющие на пропускную способность на волокна:

1. 
   Расширение светового импульса за счет дисперсии мод в многомодовом оптическом волокне. Это межмодовое расширение импульса. Об этом мы с вами уже говорили.
   
2. 
   В многомодальном оптическом волокне из-за его нерегулярности имеет место случайная связь различных мод, что оказывает существенное влияние на форму светового импульса, проходящего по этому волокну, поскольку в случае связей между модами происходит частичная передача энергии между ними и общая энергия импульса снижается. При этом за счет снижения мощности происходит сужение светового импульса.
   
3. 
   Расширение светового импульса за счет дисперсии материала (стекла), из которого сделано оптическое волокно или за счет неоднородности его структуры. Это внутримодовое расширение импульса.
   
4. 
   Рассеяние и поглощение энергии в оптическом волокне. Это явление присуще всем видам стекол, т.е. все оптические материалы имеют дефекты, которые рассеивают или поглощают свет по мере его распространения на большие расстояния.
   

3.6.2 Методы модуляции светового потока

В волоконно-оптических системах связи для модуляции оптической несущей частоты используются как цифровые так и аналоговые методы модуляции. В качестве цифровых методов модуляции используются различные варианты импульсно-кодовой модуляции.

При прохождении модулированного сигнала U(t) (двоичной последовательности) по оптическому волокну, вследствие шумов передатчика и приемника, дисперсионных явлений в волокне (дисперсия мод, дисперсия стекла и т.д.), могут возникать искажения этих сигналов, как показано на рисунке 3.57


Рис. 3.57 Искажения сигналов
Для борьбы например с блужданием при ИКМ может быть использован биполярный двоичный код. Здесь входные импульсы попеременно преобразуются в положительные и отрицательные.

Основным требованием для систем с ИКМ является необходимость строгой синхронизации передаваемых сигналов. Это обычно делается путем передачи синхронизирующей информации среди передаваемых информационных сигналов. Однако такую информацию можно легко потерять если передаваемый сигнал содержит длинную серию нулей. В этом случае можно применить в ИКМ троичный линейный код вместо двоичного. Наиболее простым кодом, из которого легко выделить синхроимпульс является код «с инверсией переменных символов». В этом коде уровень мощности Р представляют нулем, в то время как 2Р и 0 представляют соответственно +1 и –1, как показано на рисунке 3.57


Рис. 3.58
Для такого способа кодирования требуется высокая стабильность передаваемой мощности. Более эффективным является код, в котором каждый бит, представляется двумя битами. Примерами таких кодов являются код «с инверсией групп символов» и код с «биполярной фазой».

Наиболее простой формой аналоговой модуляции является метод прямой модуляции интенсивности. В этом случае аналоговый входной сигнал m(t) модулирует источник света с выходной мощностью.
,
Р₀ – средняя выходная мощность источника

 - глубина модуляции.
Наиболее простой способ реализации этого метода заключается в прямой коммутации источника света. Более дорогой, но и более точный способ реализации метода прямой модуляции это использование внешнего модулятора.

Скорость прямого модулирования зависит от инерционности источника света. При использовании лазерных источников частота модуляции достигает 1000 МГц  1 ГГц.

3.6.3 Лазеры и оптическое волокно

Основными элементами источников светового излучения в оптических системах связи являются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти устройства излучают свет в диапазоне от 0,75 до 1,6 мкм. Для осуществления дальней связи с высокой скоростью передачи данных применяют лазерные диоды (ЛД) – разновидность полупроводниковых лазеров. В настоящее время получили практическое применение следующие типы полупроводниковых лазеров:

1. 
   лазер полосковой геометрии
   
2. 
   лазер с распределенной обратной связью.
   

Одной из последних разработок является С³-лазер, представляющий собой электронно-перестраиваемый одночастотный источник. Этот тип лазера позволяет значительно увеличить скорость и длину передачи данных благодаря спектральной чистоте и сверхширокополосному перестраиваемому выходу. При использовании такого лазера нормальная рабочая частота может достигать 2 Гбит/сек с вероятностью ошибки менее 10^-10.

3.6.4 Структура ВОСС

В общем виде структуру ВОСС можно представить, как показано на рисунке 3.59

Рис. 3.59 Структура ВОСС
УВД- устройство ввода данных,

ЗУ – запоминающее устройство.
Основная функция передатчика это преобразование входного электрического сигнала в высокочастотный световой сигнал с высокой точностью. Для этой цели используются рассмотренные выше методы аналоговой или цифровой модуляции оптической несущей частоты генерируемой СИД и ЛД.

Основным назначением приемника является преобразование оптического сигнала в электрический. При этом этот электрический сигнал должен с максимальной точностью воспроизводить исходно переданный электрический сигнал. В качестве преобразователя оптического сигнала в электрический обычно используется фотодиод. Поскольку выходная мощность фотодиода обычно невелика, поэтому на выходе фотодиода ставится усилитель.