Параметр (пропускная способность) является наряду с затуханием к важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую световодом, и соответственно объем информации, который можно передать по ОК..
В предельном идеализированном варианте по ВС возможна организация огромного числа каналов на большие расстояния, но фактически имеются значительные ограничения. Это обусловлено тем, что сигнал на вход приемного устройства приходит размытым, искаженным, причем чем длиннее линия, тем больше искажается передаваемый сигнал.
Данное явление носит название дисперсии и обусловлено различием времени распространения различных мод в световоде и наличием частотной зависимости показателя преломления.
 |
Дисперсия—это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по ОК. Уширение импульса т определяется как квадратичная разность длительности импульсов на выходе и входе формуле
причем значения и берутся на уровне половины амплитуды импульсов.
 |
Связь между величиной уширения импульсов и полосой частот, передаваемых по ВС, приближенно выражается соотношением
 |
Так, если =20 нс/км, то
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон использования световодов, но и существенно снижает дальность передачи по ОК, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса.
Пропускная способность ОК существенно зависит от типа ВС (одномодовые, многомодовые, градиентные), а также от типа излучателя (лазер, светодиод).
Причинами возникновения дисперсии являются :
· некогерентность источников излучения и появление спектра;
· существование большого количества мод (N).
 |
В первом случае дисперсия называется хроматической (частотной). Она делится на материальную и волноводную (внутримодовую дисперсию). Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны
 |
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны
 |
Во втором случае дисперсия называется кодовой и обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно
В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на вход приемника с различной задержкой.
Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой, материальной и волноводной дисперсий
 |
С учетом реального соотношения вкладов отдельных видов дисперсий имеем для многомодовых волокон уширение импульсов
 |
а для одномодовых волокон
Величина уширения импульса в многомодовых волокнах за счет модовой дисперсии, которая характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода в сечение световода на расстоянии I от начала, может быть рассчитана для ступенчатого и градиентного световода соответственно по формулам
 |
 |
и,
 |
где — показатель преломления сердцевины; — показатель преломления оболочки; l — длина линии; c— скорость света;
— длина связи мод, при которой наступает установившийся режим (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км градиентного волокон);
Соответственно пропускная способность градиентного световода в 2/Δ раз меньше, чем ступенчатого, при одинаковых значениях Δ. Учитывая, что, как правило, Δ ≈ 1%, различие пропускной способности указанных световодов может достигать двух порядков.
 |
Уширения импульса τ в одномодовых волокнах могут быть определены по формулам
 |
где — относительная ширина спектра излучения; l —длина линии; с — скорость света; λ — длина волны; n1 — показатель преломления.
 |
Для расчета можно воспользоваться также упрощенными формулами
 |
и
где — ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1...4 нм для лазера и 15...80 нм для световода; l— длина линии; и M(λ) и B(λ) — удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно.
Удельные дисперсии выражаются в пикосекундах на километр (длины световода) и нанометр (ширины спектра). Зависимости материальной и волноводной дисперсий для кварцевого стекла приведены на (рис.21).
 |
Рис. 21. Удельные значения дисперсий в одномодовых волокнах при различных длинах волн:
1 — волноводная; 2 — материальная 3 — результирующая.
Как видно из рисунка, с увеличением длины волны τмат уменьшается и проходит через нуль, а τвв несколько растет. Вблизи λ ≈ 1,35 мкм происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия приближается к нулевому значению. Поэтому длина волны 1,3 мкм получает широкое применение в одномодовых системах передачи. Однако по затуханию предпочтительнее волна 1,55 мкм, и для достижения минимума дисперсии в этом случае приходится варьировать профилем показателя преломления и диаметром сердцевины. При сложном профиле типа W и трехслойном световоде можно и на длине волны 1,55 мкм получить минимум дисперсионных искажений.
В таблице №5 приведены дисперсионные свойства различных типов ВС.
Таблица №5
| Вид дисперсии | Величина дисперсии световода | ||
| многомодового | одномодового | ||
| ступенчатого | градиентного | ||
| Волноводная | Малое значение | Взаимная компенсация | |
| Материальная | 2...5 нс/км | 0,1...0,3 нс/км | Малые значения |
| Межмодовая | 30...50 нс/км | 2...4 нс/км | — |
| Полоса частот | Десятки мегагерц | Сотни мегагерц | Тысячи мегагерц |
Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов.
Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью, поэтому параметр помехозащищенности не является ограничивающим фактором. В ОК полоса пропускания и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией.
 |
Затухание ОК растет по закону √f. В широкой полосе частот оно весьма стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает за счет дисперсии. Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот. Из рисунка видно, что полоса пропускания одномодовых световодов существенно больше, чем ступенчатых и градиентных.
Рис. 22. Зависимость дисперсии (τ) и пропускной способности (ΔF) ОК от длины линии
На рис.22 показан характер зависимостей дисперсии (τ ) и пропускной способности (ΔF ) оптических кабелей от длины линии. Дисперсия приводит как к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности передачи по ним (l). Полоса частот и дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулами:
·
 |
для коротких линий (l < lc), у которых уширение импульсов с длиной растет линейно,
·
 |
для длинных линий (l > lc), у которых действует закон √ l изменения величины ширины импульсов,
где ΔF — дисперсия на 1 км; ΔFx — искомое значение дисперсии; lx — длина линии; lc — длина линии устанавливающего режима (5...7 км для ступенчатого и 10...15 км для градиентного волокна).
| |
Километрическое значение полосы пропускания определяется величиной уширения импульсов:
Оптоэлектронные компоненты
Основой ВОСП являются оптоэлектронные компоненты, и в первую очередь лазеры на передаче сигналов и фотодиоды на их приеме. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передаче по кабелям используются частоты порядка мегагерц, а по волноводам — гигагерц, то для лазерных систем используется видимый инфракрасный спектр оптического диапазона волн (1014...1015 Гц).
Лазер состоит из активной среды, устройства накачки и резонансной системы (рис. 23). Активной средой может быть твердый, жидкий или газообразный материал. Широкое применение получили полупроводники. В качестве устройства накачки используется главным образом электрическая энергия. Могут применяться также солнечная радиация, атомная энергия, химическая реакция и другие источники. Роль резонанса выполняют зеркала или другие полированные поверхности.
 |
Рис. 23. Принципиальная схема лазера:
1 — активная среда; 2 — устройство накачки; 3 — резонансная система
По принципу действия и эффекту светового излучения лазер может быть отнесен к люминесцентным материалам. Известны различные виды люминесценции (свечения): тепловая (лампочка накаливания), холодная (фосфор и другие светящиеся материалы), природная (светлячок, гнилое дерево), химическая (активная реакция) и др. В полупроводниковых лазерах действует электрическая люминесценция — свечение происходит за счет электрической накачки.
Принцип действия квантовых приборов (лазеров) основан на использовании излучения атомов вещества под воздействием внешнего электромагнитного поля. Из квантовой механики известно, что движение электронов атома вокруг ядра характеризует энергетическое состояние электронов, иначе называемое энергетическим уровнем. При переходе электронов с одной орбиты на другую под воздействием внешнего электромагнитного поля меняется энергетический уровень и происходит излучение энергии.
В настоящее время применяются различные типы лазеров: полупроводниковые, твердотельные, газовые и др. Полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод типа р-п, выполненный из активного материала, способного излучать световые кванты—фотоны. В качестве такого материала преимущественно используется арсенид галия с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В зависимости от характера и количества присадок полупроводник имеет области электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за счет цинка) проводимостей.
Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.
 |
Схематично полупроводниковый лазер показан на (рис. 24).
Рис. 24. Полупроводниковый лазер
Объем полупроводника примерно 1 мм3. К нему подведены металлические электроды для подачи электрического напряжения. Роль отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника. Излучение происходит в слое р-п перехода толщиной 0,15...0,2 мкм.
Наряду с лазерами в качестве источника оптического излучения могут применяться светодиоды. Светодиод является таким же люминесцентным полупроводником типа р-п из арсенида галия, но не имеет резонансного усиления. В отличие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным лучом, в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч имеет меньшую мощность и широкую направленность.
Сравнительные характеристики лазеров и светодиодов приведены в таблице №6 и на (рис.25).
Таблица №6
| Излучатель | Мощность, мВт | Диаграмма, град | Ширина спектра, мм | Срок службы, ч |
| Лазер Светодиод | 10... 40 5...20 | 4... 20 60... 80 | 1...3 30... 50 | 104... 105 105…106 |
Сравнивая обычный свет, создаваемый, например, лампочкой накаливания, с лазерным лучом, можно отметить, что в обоих случаях действует поток фотонов. Но в отличие от обычного света, основанного на тепловой природе возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый) луч.
 |
Рис.25. Ширина спектра лазера (1), светодиода (2)
Лазерный луч обладает рядом замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч движется очень узким пучком с малой степенью расходимости (он достигает луны с фокусировкой в сотни метров). Лазерный луч обладает большой теплотой и может пробивать отверстие в любом материале. Световая интенсивность луча больше, чем интенсивность самых сильных источников света.
 |
Рис. 26. Полупроводниковый фотодиод
В качестве приемного устройства, преобразующего свет в электричество, применяется фотодиод. Здесь используется эффект Столетова, состоящий в том, что при воздействии света на активный материал, например полупроводник, изменяются его электрические свойства и возникает электрический сигнал (рис.26).
Таким образом в лазерах электричество преобразуется в свет, а в фотодиодах происходит обратный процесс: свет преобразуется в электричество.
Системы передачи
В оптических системах передачи применяются принципиально те же методы образования многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по электрическому кабелю, т. е. частотный и временной методы разделения каналов.
Во всех случаях оптической передачи электрический канал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую. В модулированном виде световой сигнал передается по ОК. В основном используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при которой от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемая в кабель.
В оптических системах передачи, как правило, применяется цифровая (импульсная) передача. Это обусловлено тем, что аналоговая передача требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах.
Таким образом, наиболее распространенной волоконно-оптической системой связи является цифровая система с временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), использующая модуляцию интенсивности излучения источника. Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам, каждый из которых предназначен для передачи информации в одном направлении.
В оптических системах связи используются преимущественно цифровые системы передачи—ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 каналов.
Дата: 2019-07-30, просмотров: 210.
