Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций




НазваниеКонспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций
страница8/17
Дата публикации06.03.2016
Размер1.21 Mb.
ТипКонспект
zadocs.ru > Литература > Конспект
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   17
^

Тема №3(8 часов) Передача сигналов

3.1Передача сигналов по проводным линиям связи


К проводным линиям относятся все типы линий, в которых сигналы распространяются по искусственно создаваемой непрерывной направляющей среде. В простейшем случае проводная линия связи представляет собой физическую цепь, образуемую парой проводов, по которым протекает электрический ток. Если провода не имеют специального изолирующего покрытия, их разносят в воздушном пространстве на определенное расстояние друг от друга. При этом роль изолирующего материала выполняет слой воздуха между проводами. По сложившейся терминологии такие проводные линии называются воздушными линиями связи. Проводные линии из проводов с изоляционным покрытием, помещенных в специальные защитные оболочки, называются кабельными линиями связи или просто кабелями связи. К проводным относятся также линии, использующие в качестве среды распространения сигналов не проводники, а диэлектрические материалы, в частности, тонкие стеклянные волокна. Такие линии получили название волоконно-оптических линий связи.
^

3.2Передача сигналов по волоконно-оптическим линиям связи

3.2.1Структура оптических волокон


О


Рисунок 3.1 – Структура оптического волокна:

а) общий вид; б) поперечный разрез
птическое волокно (ОВ) состоит из двух концентрических слоев – сердцевины и оболочки (рисунок 3.1). Сердцевина является средой передачи оптического сигнала, оболочка обеспечивает полное внутреннее отражение светового луча в сердцевину, и, как следствие, снижение излучения энергии в окружающее пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности ОВ поверх оболочки, как правило, накладывается защитное покрытие. Защитная оболочка представляет собой один или несколько слоев полимера, который предохраняет сердцевину и оптическую оболочку от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по ОВ, а всего лишь предохраняет от ударов.

Показатель преломления сердцевины обозначают как n1, а показатель преломления оболочки обозначают как n2. Когда жила спроектирована так, что n1 > n2, то система “сердцевина – оболочка” ведет себя как волновод1. Основным материалом для изготовления, как сердцевины, так и оболочки является кварцевое стекло (SiO2). Для получения необходимых значений показателей преломления используются легирующие добавки, например, бор или германий.

^

3.2.2Прохождение оптических лучей по оптическим волокнам


С


Рисунок 3.2 – Прохождение луча через границу раздела двух сред
реда, у которой показатель преломления больше, называется оптически более плотной, в противном случае – менее плотной, поэтому при падении луча света на границу раздела таких сред в общем случае появляются отражения и преломления волны. В соответствии с законом Снеллиуса углы падения α, отражения β и преломления γ (рисунок 3.2) связаны следующими соотношениями:

α = β – закон отражения;

n1sin α = n2sin γ – закон преломления.

Если луч переходит из оптически более плотной среды в менее плотную n1 > n2, то γ > α. Путем увеличения угла падения можно достичь состояния, при котором преломленный луч будет скользить по границе раздела сред, не переходя в другую среду.

Угол падения, при котором имеет место данный эффект, называется критическим углом αкр полного внутреннего отражения (рисунок 3.3). Для критического угла αкр имеет место следующее отношение:

. (3.1)

Д


Рисунок 3.3 – Явление полного внутреннего отражения
ля всех углов падения, больших критического (α > αкр), будут иметь место только отражения, а преломления будут отсутствовать. Это явление называется полным внутренним отражением. Поскольку вся мощность светового луча практически полностью возвращаются в область боле плотной среды, на этом эффекте основан принцип передачи оптического излучения по ОВ.

На рисунке 3.4 приведен принцип распространения светового луча по ОВ. Свет вводится внутрь ОВ под углом больше критического к границе “сердечник – оболочка” и испытывает полное внутреннее отражение на этой границе. Поскольку углы падения и отражения совпадают, то свет и в дальнейшем будет отражаться от границы. Таким образом, луч света будет двигаться зигзагообразно вдоль ОВ.

С


^ Рисунок 3.4 – Схема распространения светового луча в оптическом волокне

вет, попадающий на границу под углом меньше критического, будет проникать в оптическую оболочку и затухать по мере распространения в ней. Оптическая оболочка обычно не предназначена для переноса света, и свет в ней достаточно быстро затухает.

Т


Рисунок 3.5 – Определение угла

аким образом, для обеспечения условия полного внутреннего отражения при распространении световых лучей необходимо обеспечить ввод излучения в торец ОВ под углом меньше или равным (рисунок 3.5).

Угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса – лучей, падающих в торец ОВ, для которых в дальнейшем выполняется условие полного внутреннего отражения, носит название апертура ОВ. Физически апертура характеризует эффективность ввода оптического излучения в ОВ, а для ее числовой оценки используется понятие числовой апертуры NA. Числовая апертура для ступенчатого ОВ равна:

. (3.2)

Для градиентных ОВ вводится понятие локальной числовой апертуры, которая показывает, что максимальный угол ввода оптического излучения в этом случае определяется тем, в какой точке сердцевины ОВ находится вершина конуса, иными словами, захват ОВ вводимого луча света зависит от того, в какой точке сердечника он вводится в градиентное ОВ.

Для градиентного волокна с параболическим профилем показатель преломления локальная числовая апертура определяется выражением:

. (3.3)

Фактически, количество оптической мощности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NA. Числовая апертура ОВ не зависит от его физических размеров.

Из последнего выражения видно, что с увеличением разности показателей преломления сердечника и оболочки значение NA возрастает и, следовательно, улучшается эффективность ввода излучения в ОВ.

Внутреннее отражение служит основой для распространения света вдоль обычного ОВ. Однако, при анализе происходящих процессов учитываются только меридианные лучи, проходящие через центральную ось волокна после каждого отражения. Другие лучи, называемые асимметричными, движутся вдоль волокна, не проходя через его центральную ось. Траектория асимметричных лучей представляет собой спираль, накручивающуюся вокруг центральной оси. Асимметричные лучи, как правило, игнорируются в анализе большинства волоконно-оптических процессов.
^

3.2.3Полоса пропускания оптических волокон


Для передачи сигналов по оптическим волокнам используют три диапазона длин волн, которые называются окнами прозрачности (рисунок 3.6).

Наиболее широкое применение в системах передачи нашли второй (1280 – 1360 нм) и третий (1520 – 1620 нм) диапазоны.

О
Рисунок 3.6 – Окна прозрачности

ценить ширину доступной полосы частот можно при помощи формулы:

, (3.4)

где λ – длина волны, в нм,

f – частота, в ГГц.
Для второго окна прозрачности:

Гц, Гц.

Для третьего окна прозрачности:

Гц, Гц.

Таким образом, ширина рабочих полос второго и третьего окон прозрачности составляет около 12 ТГц.
^

3.2.4Профили оптических волокон


Если рассматривать показатель преломления n ОВ, как функцию радиуса r, то используется термин профиль показателя преломления. С его помощью описывается радиальное изменение показателя преломления сердечника от оси ОВ в направлении стекла оболочки.

, (3.5)

Распространение мод в ОВ зависит от распределения профиля показателя преломления.

У


Рисунок 3.7 – Зависимость формы профиля от показателя степени профиля

1 – ступенчатый профиль (g → ∞);

^ 2 – параболический профиль (g = 2);

3 – треугольный профиль (g = 1).
ОВ со ступенчатым профилем показатель преломления n(r) = n1 в стекле сердечника остается постоянным. Световоды с параболическим профилем называются градиентными (рисунок 3.7).

Другой важной величиной для описания волоконного световода является структурный параметр или нормированная частота V:

, (3.6)

где d – диаметр сердечника;

 – длина волны;

^ NA – числовая апертура.
Количество мод N, распространяемых в сердечнике, зависит от нормированной частоты и для любого профиля показателя преломления, описываемого по степенному закону, приблизительно равно:

, (3.7)

где g – показтель степени профиля;

V – нормированная частота.

3.2.5Моды


Мода представляет собой математическое и физическое понятие, связанное с процессом распространения электромагнитных волн в среде. В своей математической формулировке модовая теория возникает из уравнений Максвелла, из которых следует, что распространение электромагнитного излучения подчиняется строгим правилам.

Мода представляет собой возможное решение уравнений Максвелла. Для описания распространения световых волн по ОВ под модой достаточно понимать вид траектории, вдоль которой может распространяться свет. Число мод, допускаемых ОВ, колеблется от 1 до 100 000. Таким образом, ОВ позволяет свету распространяться по множеству траекторий, число которых зависит от размера и свойств волокна.
^

3.2.6Типы оптических волокон

Многомодовые волокна


Если диаметр сердечника много больше длины волны оптической несущей, то импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах ОВ. Каждая мода возбуждается на входе световода под своим определенным углом ввода и направляется по сердечнику по своей траектории. Такой тип ОВ называется многомодовым (Multi Mode Fiber, MMF). Моды проходят разные расстояния оптического пути и поэтому приходят на выход ОВ в разное время.

М


^ Рисунок 3.8 – Распространение светового луча в многомодовом ОВ

ногомодовые ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления (рисунок 3.8) характеризуются искажениями, которые обусловлены дисперсией времени задержки отдельных мод, в результате чего, по мере прохождения по ОВ короткий световой импульс уширяется во времени. Это является недостатком для оптических систем передачи информации, так как уменьшает скорость передачи и полосу пропускания.

В многомодовых ОВ с градиентным профилем показателя преломления (рисунок 3.9) лучи света проходят по винтообразным спиральным траекториям. Они распространяются не зигзагообразно. Вследствие непрерывного изменения показателя преломления n(r) в стекле сердечника лучи непрерывно преломляются, и поэтому их направление распространения меняется, за счет чего они распространяются по волновым траекториям. Лучи, колеблющиеся вокруг оси световода, проходят более длинный путь, чем лучи света вдоль оси световода. Однако благодаря меньшему показателю преломления в отдалении от оси ОВ эти лучи распространяются соответственно быстрее, благодаря чему более длинные оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек разных лучей почти полностью исчезает.

Б


^ Рисунок 3.9 – Распространение светового луча в одномодовом ОВ

ольшое распространение получили одномодовые ОВ с треугольным и W-образным профилем показателя преломления. Применение сложных профилей показателя преломления обусловлено стремлением оптимизировать работу ОВ в определенных диапазонах длин волн.
^

Стандартные одномодовые волокна


Искажений, которые характерны для многомодовых ОВ, можно избежать, если подобрать структурные параметры ОВ таким образом, чтобы в нем распространялась одна единственная мода – основная мода. Такие волокна называются одномодовыми (Single Mode Fiber, SMF).

Режим распространения единственной моды реализуется при условии:

. (3.8)

где d – диаметр сердечника;

NA – числовая апертура;

λ – длина волны.

Величина 2,405 равна функции Бесселя I0(x) при ее первом нулевом значении2. Минимальная длина волны, при которой в волокне распространяется фундаментальная мода, называется длиной волны отcечки, значение которой легко определяется из условия одномодовости:

. (3.9)

Межмодовая дисперсия в одномодовом ОВ отсутствует. Однако основная мода также уширяется во времени по мере прохождения по такому световоду. Уширение вызвано некогерентностью источников излучения, реально работающих в спектре длин волн ∆λ. Отличие времени распространения каждой из направляемых мод, образующих сигнал, от частоты спектра источника оптического излучения приводит к возникновению так называемой хроматической дисперсии.

При стыковке одномодовых ОВ между собой важную роль играет диаметр модового поля. В многомодовых ОВ размер сердцевины принято оценивать диаметром, в одномодовых волокнах применяется понятие диаметра модового поля. Это связано с тем, что энергия основной моды в ОВ распространяется не только в сердцевине, но и частично в оболочке, захватывая ее при­граничную область. Поэтому диаметр модового поля более точно оценивает размеры поперечного распределения энергии основной моды.

Радиус поля моды W0 в микрометрах определяется при известных значе­ниях υ и a следующих соотношений:

, (3.10)

где υ – нормированная частота;

a – радиус ОВ.
Диаметр модового поля будет равен в таком случае:

, (3.11)
^

Одномодовое волокно со смещенной дисперсией


Для кварцевых ОВ минимум затухания соответствует длине волны 1,55 мкм, но при скоростях передачи порядка нескольких Гбит/с дальность связи на этой длине волны может ограничиваться хроматической дисперсией, поэтому для ее снижения осуществляется выбор соответствующего профиля показателя преломления.

Стандартное одномодовое ОВ не обеспечивает малой дисперсии для длины волны 1,55 мкм, поэтому были разработаны ОВ со смещенной дисперсией (Dispersion-Shifted Fiber, DSF), которые отличаются конфигурацией профиля показателя преломления.

Основой для создания ОВ со смещенной дисперсией является ее отрицательная волноводная дисперсия (рисунок 3.10). Делая волноводную дисперсию большой и отрицательной можно скомпенсировать материальную дисперсию и сдвинуть нулевую дисперсию в длинноволновую область. Сдвиг достигается уменьшением диаметра сердечника ОВ, увеличением оптической разности показателя преломления и конфигурацией профиля показателя преломления.

В


Рисунок 3.11 – Отличие волновой дисперсии в стандартном ОВ и в ОВ со смещенной дисперсией



Рисунок 3.10 – Зависимость различных видов дисперсии от длины волны
результате исследований ОВ со смещенной дисперсией было показано, что наилучшие показатели обеспечивают волокна с треугольным профилем, так как они обладают самофокусирующими свойствами и удерживают распространяющиеся лучи в небольшом объеме, прилегающем к оси ОВ. Зависимость дисперсии от длины волны оптического излучения одномодовых ОВ показана на графике (рисунок 3.11). Из графика видно, что хроматическая дисперсия у стандартного ОВ на длине волны 1550 нм составляет около 18 пс/нм·км. Оптические потери у одномодовых волокон на длине волны 1550 нм приблизительно в два раза меньше чем потери на длине волны 1310 нм. Сдвиг длины волны нулевой дисперсии на длину волны 1550 нм позволяет извлечь выгоду из этих малых оптических потерь и получить при этом меньшие искажения импульсов.
^

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией


В системах с волновым (спектральным) уплотнением (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), и с оптическим усилением, компенсация дисперсии представляет более сложную задачу, так как мощность оптических усилителей достаточна для того, чтобы создавать нелинейные эффекты в одномодовом ОВ. Использование одномодовых ОВ со смещенной дисперсией решает проблемы, связанные с хроматической дисперсией на длине волны 1550 нм, однако, оно не подходит для использования в DWDM системах из-за ряда нелинейных явлений. Поэтому второй целью компенсации хроматической дисперсии является ограничение искажений, вызываемых этими нелинейными явлениями. Снижение влияния нелинейных эффектов может быть достигнуто наличием в ОВ небольшого (не нулевого) уровня хроматической дисперсии. Поэтому было разработано одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber, NZDSF).

В


^ Рисунок 3.12 – Зависимость дисперсии от длины волны оптического излучения одномодовых ОВ
олокна NZDSF дают возможность работать в, значительно более широком диапазоне длин волн благодаря тому, что в результате ряда усовершенствований кривая зависимости дисперсии от длины волны у этих волокон более гладкая и пологая (рисунок 3.12). Гладкость и пологость этой кривой улучшают характеристики волокна благодаря тому, что исключается необходимость решения сложной проблемы компенсации дисперсии.
^

Оптическое волокно с нулевым водородным пиком


З


Рисунок 3.13 – Зависимость затухания от длины волны ZWPF ОВ
ависимость затухания ОВ с нулевым водородным пиком от длины волны приведена на рисунке 3.13. Наличие пика поглощения на длине волны 1383 нм, который обусловлен содержанием в волокне гидроксильных групп OH, существенно сужает диапазон передаваемых длин волн.

Для решения этой проблемы было разработано волокно с нулевым водородным пиком (Zero Water Peak Fiber, ZWPF). В ОВ данного типа, которые описаны стандартом ITU-T G.652.C, типа устранен пик поглощения на длине волны 1383 нм, и величина затухания составляет не более 0,31 дБ/км в рабочем диапазоне длин волн.

Применение волокна ZWPF позволяет использовать весь диапазон длин волн 1270 – 1620 нм.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   17

Похожие:

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций по дисциплине "инвестирование"
Конспект лекций по дисциплине «Инвестирование» для студентов экономических специальностей всех форм обучения Сост.: В. М. Гридасов...

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций Киров 2010 удк 681. 332
Теория автоматов (часть I). Конспект лекций /Киров, Вятский государственный университет, 2010, 56с

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности»
Безопасность в чрезвычайных ситуациях и гражданская оборона. Конспект лекций. Рубцов Б. Н. М. Миит, 2001

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Делопроизводство»
Опорный конспект лекций по дисциплине «Делопроизводство» для студентов 2 курса (3 семестр) сгф для направления 101100. 62 «Гостиничное...

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconЭтика курс лекций (на основе книги: Этика (конспект лекций)
Этика (конспект лекций). – М.: «Приор-издат», 2002. Автор-составитель Аристотель. Никомахова этика. Сочинения: в 4-х т. Т. М.: Мысль,...

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций Утверждено Редакционно-издательским советом в качестве...
Чижов М. И., Юров А. Н. Информатика и информационные системы: Конспект лекций. Воронеж: Воронеж гос техн ун-т, 2003. 148 с

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций для студентов направления 070104 «Морской и речной транспорт»
Конспект лекций рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Судовождение» кгмту

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Публичное администрирование»
Конспект лекций по дисциплине «Публичное администрирование» (для студентов специальности 06. 05. 02)

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций по дисциплине «Публичное администрирование»
Конспект лекций по дисциплине «Публичное администрирование» (для студентов специальности 06. 05. 02)

Конспект лекций по дисциплине “Каналообразующие устройства”, 2010 Перечень лекций iconКонспект лекций
Цифровые системы управления и обработки информации. Конспект лекций. Модуль 1: Организация и программирование систем чпу. (для студентов...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов