21685

Физические процессы в линия связи на оптических волокнах

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Апертура волоконного световода; 3.Критическая частота и критическая длина волны воло конного световода; 5.Затухание сигнала в волоконных световодах. Отличие от радиоканалов состоит в том что волна распространяется не в свободном пространстве а концентрируется в самом объеме световода и передаётся по нему в заданном направлении.

Русский

2013-08-03

224.5 KB

12 чел.

ЛЕКЦИЯ № 6. Физические процессы в линия связи на оптических волокнах

Вопросы: 1.Волновая и лучевая трактовки световых процессов;

                 2.Апертура волоконного световода;

                 3.Типы волоконных световодов;

                 4.Критическая частота и критическая длина волны воло

                    конного световода;

                 5.Затухание сигнала в волоконных световодах.

1.Волновая и лучевая трактовки световых процессов

 В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью оптические кабели имеют совершенно другой механизм передачи энергии, а именно посредствам токов смещения как и в радиоканалах. Отличие от радиоканалов состоит в том, что волна распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передаётся по нему в заданном направлении.

Как известно, однако, свет имеет двойственную природу: волновую и лучевую (корпускулярную). Волновая теория света обосновывает, что все свойства света  совпадают со свойствами электромагнитных колебаний очень высокой частоты (1014...1015 Гц). Волны подразделяются на классы и типы (рассмотрены в лекции № 3). Тип волны (мода) определяется сложностью структуры, т.е. числом максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Мода обозначается двумя числовыми индексами n  и  m  ( и ). Индекс n обозначает число полных изменений поля по окружности световода, индекс m - число изменений поля по диаметру (см. рис. 1).

 По корпускулярной теории свет - это поток быстро движущихся мелких частиц (корпускул), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и образуют луч света.

Таким образом, теория света является синтезом волновых и лучевых его свойств. На рис 2  показана одномодовая и многомодовая схемы передачи. Одномодовой передачи соответствует один луч, а многомодовой - в данном примере три луча.

Передача волны по световоду осуществляется за счёт её отражения от границ сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления ( и  , причем , см. рис.3), т.е. передача происходит волноводным методом.

Рис.3

В волновой трактовке процесс передачи световых сигналов рассматривается как разновидность распространения ЭМ волн. Математические решения получают из электродинамических решений уравнений Максвелла. Решение этих уравнений приводит к цилиндрическим функциям Бесселя  для сердцевины и Ганкеля  для оболочки. Эти решения являются наиболее точными, т.к. учитывают модовый состав пропускаемого излучения, Основной вывод который следует из результатов решения: в световодах могут существовать моды соответствующие только целым значениям числовых индексов n и m. Для инженерных расчетов использование решений на основе уравнений Максвелла затруднительно в виду сложности.

2.Апертура волоконного световода

 Более подходящей в этом смысле является лучевая теория. По законам геометрической оптики на границе сердечник оболочка в общем случае присутствуют падающая волна под углом , отраженная  и преломленная -  (см. рис. 4,б).

                                                     Рис. 4

Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, т.е. при  волна при определённом угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду (рис. 4, а). Угол падения , начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, (т.е. ), называется углом полного внутреннего отражения:

,   где            (6.1)

,  и   - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость сердечника и оболочки. (Исходим из общей формулы:

, очевидно при  получим соотношение (6.1)) 

 Апертура волоконного световода - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 5).

      

         

                                            Рис. 5

Кроме этого часто используют понятие числовой апертуры (NA), которую определяют по формуле

,

где n0, n1 n2 - показатели преломления наружной среды, сердцевины и оболочки. (если наружная среда - воздух n0=1).

3.Типы волоконных световодов

Оптические волокна классифицируются на две группы: одномодовые и многомодовые, причем последние подразделяются на ступенчатые и градиентные.

В одномодовых оптических волокнах диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны, и по нему передается всего один луч - тип волны (мода). В многомодовых оптических волокнах диаметр сердцевины больше, чем длина волны, и по нему распространяется большое число лучей (мод). Практически у одномодовых волокон диаметр сердцевины составляет мкм, а у многомодового - 50мкм.

Как видно из рис.6:а,б,в ход лучей у различных оптических волокон различен.

                                                   Рис. 6

В ступенчатом многомодовом волокне (а) лучи резко отражаются от от границы сердцевина - оболочка. Причем пути следования различных лучей различны и потому они приходят к концу линии со сдвигом во времени. Это приводит к искажению передаваемого сигнала (дисперсии).

В градиентном многомодовом волокне лучи распространяются по волнообразным траекториям и потому они с меньшим разбросом приходит к концу линии.

Наилучшими характеристиками в этом смысле обладает одномодовое волокно, т.к. здесь распространяется всего один луч.

Характер распространения лучей в многомодовом волокне определяется характером изменения коэффициента преломления по сечению волокна. В варианте (а) он резкий (ступенчатый). В варианте (б) плавный, например, по параболическому закону.

4.Критическая частота и длина волны волоконного световода

При фиксированном диаметре d световода и различных длинах волн  характеристикой условий распространения излучения может быть некоторый угол , связанный соотношением:

.                 (6.2)

Как видно из рис.6, чем ближе длина волны к диаметру световода, тем меньше продольная составляющая распространения волны. Предельный случай . В соответствии с лучевой теорией при этом вдоль световода нет передачи энергии.

                                             Рис. 6

Имея в виду, что  и предполагая, что выполняется условие полного внутреннего отражения, т.е.  можно записать

.           (6.3)

Прировняв правые части выражений (6.2) и (6.3) для косинусов получим:

.                 (6.4)

Критическая длина волны волоконного световода, в таком случае

.                 (6.5)

Соответственно критическая частота

   ,         (6.6)

где  - скорость распространения волны в сердечнике световода (сорость света).

Анализируя полученные соотношения, отметим, что чем толще сердечник световода и чем больше различаются  и , тем больше критическая длина волны и соответственно ниже критическая частота. (Следует иметь в виду, что соотношения (6.5) и (6.6) получены из упрощенных выражений геометрической оптики и не учитывают возможность передачи по световоду большого числа различных типов волн. Более строгое решение может быть получено только на основе уравнений электродинамики.)

Ещё одной характеристикой световодов служит, так называемая, нормированная частота

,            (6.7)

которая является обобщенной характеристикой световода.

Выбирая параметры световода таким образом, чтобы передаваемая частота была близка к критической, можно реализовать одномодовый режим распространения волны . Относительно нормированной частоты это условие может быть реализовано при V<2.405.

С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод резко возрастает. Число мод может быть приближенно определено как .

Достоинство одномодовой передачи является широкая полоса передаваемых частот (несколько гигагерц). С увеличением числа мод полоса передаваемых частот сужается. Однако одномодовый режим требует применение когерентных источников излучения (лазеров). Для многомодовых систем можно использовать простейшие источники излучения - светодиоды.

5.Затухание сигнала в волоконных световодах

Важнейшим параметром волоконного световода являются затухание. Затухание в волоконых световодах обусловлено потерями поглощения , рассеяния , и дополнительными кабельными потерями :

.          (6.8)

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода () и определяется по формуле (размерность Нп/км)

,                  (6.9)

  - показатель преломления сердцевины;

 - длина волны;

 - тангенс угла диэлектрических потерь.

 Потери рассеяния обусловлены неоднородностью материала волоконного световода и тепловой флюктуацией показателя преломления. В природе различают два механизма рассеяния Ми - рассеяние на неоднородностях значительно превышающих длину волны излучения и релеевское рассеяние - на неоднородностя соизмеримых с длиной волны излучения. В световдах основным является релеевское рассеяние, потери за счет которого определяются по формуле

,                (6.10)

где  - коэффициент рассеяния, для кварца равный 0.8 (мкм4дБ/км).

Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь присущих волоконным световодам.

 Реальные световоды на основе кварцевого стекла имеют ярко выраженую волновую зависимость потерь. Наименьшие потери соответствуют диапазонам волн 0.83мкм, 1.3мкм и 1.5мкм, которые получили названия окон прозрачности. Потери в окнах прозрачности ориентировочно составляют: 0.83мкм - 3 дБ/км; 1.3мкм - 1дБ/км; 1.5мкм - 0.3дБ/км.

Дополнительные кабельные потери обусловлены прежде всего причинами, связанными с технологией производства и эксплуатации волокна. Потери растут за счет скрутки, изгиба, отклонения от прямолинейности, из-за термомеханических воздействий при наложении оболочек и покрытий и др. факторами. Установлено, что дополнительные кабельные потери могут привести к увеличению затухания в два три раза.

Эффективное использование оптического волокна на основе кварцевого стекла ограничивается диапазоном 1.5мкм. Для более длинных волн кварц становится не прозрачным т.к. резко возрастают потери на поглощение. Поэтому для этого диапазона волн необходимо использовать новые материалы. Перспективными считаются фториды, галоиды и халькогениды. Например, в дальнем ИК диапазоне (10.6мкм) использование халькогенидов позволит достичь затухания порядка дБ/км, что даст возможность отказаться от ретрансляционных пунктов для линий практически любой длины в земных измерениях.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33090. Філософія України першої половини ХІХ століття 29.14 KB
  Пануючій у дореформений період релігійноідеалістичній філософії в різних її різновидах і течіях починаючи від відверто містичної масонства і закінчуючи тривіальною метафізикою протистояли матеріалістичні вчення. в Європі набувають поширення і популярності ідеї представників німецької класичної філософії: Канта Фіхте Шеллінга Гегеля які поступово проникають і в Україну. Він активно виступав за розвиток науки і просвіти гостро критикував реакціонерів які заперечували читання лекцій з філософії у вузах. Під впливом Канта професор Лодій...
33091. Українська філософська та суспільно-політична думка другої половини XIX - XX століття 55.08 KB
  Пізнання він розумів як відображення зовнішнього світу людини засуджував агностицизм. У працях Що таке прогрес Роздуми про еволюцію в історії людства він намагався простежити розвиток від живої природи від простих частинок живої матерії до людини. Заперечуючи всяку владу людини над людиною він стверджує природне прагнення людини до добра. Це означає що вона розвивається за своїми законами незалежними від людини і людства і тому для її пояснення не потрібно залучати ні містику ні інші вигадки метафізиків та ідеалістів.
33092. Філософія української національної ідеї 31.64 KB
  Ми українець і як такий ми член нації яка не лише пригноблюється в русской державі в Росії й урядом а почасти і суспільністю панівної національності. Поет і прозаїк громадський діяч і політик науковий дослідник проблем історії й теорії літератури етнографії й фольклору політичної й економічної історії філософії досконалий знавець німецької польської російської мов він спрямовував усе своє надбання на народне відродження розвій української нації; збагачення української духовної культури. Франко був переконаний що...
33093. Поняття буття 12.67 KB
  Проблема буття виникла в епоху античності як своєрідна відповідь на її нові потреби. Буття на його думку гарант надійності і незнищенності світу та раз і назавжди заведеного порядку в ньому. Не змінюється лише буття тобто абсолютна думка.
33094. Матерія та її розуміння 15.73 KB
  Досліджуючи фундамент матерії сучасна фізика відкрила всезагальне перетворення матеріальних об'єктів. Простір і час це атрибути тобто суттєві властивості рухомої матерії. Однак філософи ідеалісти заперечують залежність часу і простору від матерії. Кантом простір і час апріорні й абсолютно порожні форми чуттєвого споглядання речей внутрішньо і споконвічно притаманні людській свідомості.
33095. Рух матерії 12.92 KB
  Рух є способом існування матерії. Ніде і ніколи не було і не може бути матерії без руху як і руху без матерії. Рух матерії абсолютний і вічний. Такий стан руху матерії називається спокоєм.
33096. Простір та час як філософські категорії 12.45 KB
  Простір і час це атрибути тобто суттєві властивості рухомої матерії. Однак філософи ідеалісти заперечують залежність часу і простору від матерії. Кантом простір і час апріорні й абсолютно порожні форми чуттєвого споглядання речей внутрішньо і споконвічно притаманні людській свідомості.
33097. Проблема свідомості в філософії 13.7 KB
  Жодна наукова проблема не є предметом таких далеких від науки і таких широких за змістом інтелектуальних спекуляцій як проблема свідомості. Варте уваги те що з кожним кроком уперед у дослідженнях психіки і свідомості людини кількість такого роду спекуляцій не зменшується. Однак слід пам'ятати що лише наукове осягнення природи свідомості може відкрити істину.
33098. Суспільна свідомість 13.6 KB
  Виділяють буденну і теоретичну свідомості. В основу цього членування покладено відношення свідомості до практики ступінь її узагальнення глибина зв'язку з практичними основами життя. У свідомості виділяють два рівні ідеологію і суспільну психологію. Суспільна психологія є частиною буденної свідомості.