75380

Затухание оптического излучения в волокне

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: 1) источник света и 2) носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая - с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году

Русский

2015-01-12

167.5 KB

1 чел.

Затухание оптического излучения в волокне

В 1966 году Као и Хокман из STC Laboratory представили оптические нити из обычного стекла, которые имели затухание в 1000 дБ/км (затухание в коаксиальном кабеле составляет 5-10 дБ/км) из-за содержащихся в стекле примесей, которые можно удалить.

Существовало две глобальных проблемы при разработке оптических систем передачи данных: 1) источник света и 2) носитель сигнала. Первая разрешилась с изобретением лазеров в 1960 году, вторая - с появлением высококачественных оптических кабелей в 1970 году. Это была разработка Corning Glass Works. Затухание в таких кабелях составляло около 20 дБ/км, что было вполне приемлемым для передачи сигнала в телекоммуникационных системах. В то же время были разработаны компактные полупроводниковые GaAs-лазеры.

После интенсивных исследований в период с 1975 по 1980 год появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, оперировавшая светом с длиной волны 0,8 мкм и использовавшая полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия (GaAs). Битрейт систем первого поколения составлял 45 Мбит/с, расстояние между повторителями — 10 км. 22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с.

Второе поколение волоконно-оптических систем было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х. Они оперировали светом с длиной волны 1,3 мкм от InGaAsP-лазеров. Однако такие системы всё ещё были ограниченны из-за рассеивания, возникающего в канале. Однако уже в 1987 году эти системы работали на скорости до 1,7 Гбит/с при расстоянии между повторителями 50 км.

Первый трансатлантический телефонный оптический кабель — ТАТ-8 — был введён в эксплуатацию в 1988 году. В его основе лежала оптимизированная технология Desurvire усиления лазера. ТАТ-8 разрабатывался как первый подводный волоконно-оптический кабель между Соединёнными Штатами и Европой.

Разработка систем мультиплексирования позволила в несколько раз увеличить скорость передачи данных по одному волокну и к 2003 году при применении технологии спектрального уплотнения достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с). В 2009 году лаборатории Белла при мультиплексировании 155 каналов по 100 Гбит/с удалось передать сигнал со скоростью 15,5 Тбит/с на расстояние 7000 километров. Достигнутый уровень потерь – 0,2 дБ/км.

Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны

(показаны три окна прозрачности)

Рис. 1.3.

Существуют три основных окна прозрачности: 1) 820-900 нм; 2) 1280-1350 нм; 3) 1528-1561 нм. Вторая и третья полосы разделены так называемым пиком поглощения света «водой», расположенным приблизительно на длине волны 1400 нм (фактически на 1383 нм). Пик поглощения фактически вызван наличием в волокне радикалов ОН.

Последнее окно может быть расширено до 1620 нм - эту область называют четвертым окном прозрачности. Частоты, соответствующие последнему окну и его расширению, F1 и F2:

Гц = 196 ТГц

Гц = 185 ТГц

Полезная рабочая полоса этих окон равна 11 ТГц.

Потери излучения в оптическом волокне

Количественные характеристики затухания

[1/м] – коэффициент затухания излучения в волокне:

                                                                (1)

                                                        (2)

Удельное затухание в логарифмических единицах - [дБ/км]:

                                    (3)

Логарифмическая единица мощности:

                                        (4)

Связь мощностей на входе и выходе волокна, выраженных в логарифмических единицах:

                                      (5)

Факторы, приводящие к затуханию

Физические:

  •  Поглощение ИК излучения при возбуждении колебаний атомов Si и O.             > 2 мкм.
  •  Поглощение УФ излучения в результате электронных переходов в молекуле SiO2.  < 0,2 мкм.
  •  Рэлеевское рассеяние на флуктуациях показателя преломления.                              ~ (0,70,9)/4[мкм]

Химические:

  •  Поглощение примесными ионами металлов (Fe, Cu, Ni, Mn, Cr). Уровень потерь меньше 1 дБ/км, если относительное содержание примесей ионов металлов ниже 10-9.
    •  Поглощение в результате возбуждения колебаний атомов, входящих в состав радикала OH. Резонансные длины волн для полос поглощения: 2,73 мкм – основная гармоника, 1,39 мкм, 1,24 мкм, 0,95 мкм – высшие гармоники. Для достижения низких потерь необходимо снизить относительное содержание радикалов до 10-8.

Конструкционно-технологические: – неточность изготовления волокна: изменения диаметра сердцевины, показателя преломления, дефекты на границе раздела сердцевины и оболочки.

Внешние:  стыковка и изгибы волокон. Если радиус кривизны изгиба волокна превышает 5 мм, потери на макроизгибах пренебрежимо малы. Случайная осевая деформация при прокладке кабеля приводит к микроизгибам волокна, способна привести к большим потерям на микроизгибах.

Технология изготовления оптических волокон

Стадии: 1) изготовление заготовки, 2) вытяжка волокна из заготовки

Изготовление заготовки – метод химического парофазного осаждения

(CVDChemical Vapor Deposition)

Решаемая задача: создание сверхчистого кварцевого стекла с одновременным дозированным легированием примесью окисла германия для управления величиной показателя преломления

Внутреннее осаждение

Основные химические процессы:

,     температура > 1200оС

,   температура > 1000оС

Схлопывание опорной трубки в заготовку

Внешнее осаждение

Внутреннее осаждение (MCVD – метод)

Вытяжка волокна из заготовки


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37942. Изучение собственных колебаний струны 137 KB
  Колебания струны5 3.10 Лабораторная работа № 11 а Изучение собственных колебаний струны 1. Цель работы Изучение собственных колебаний струны. Колебания струны В закрепленной с обоих концов натянутой струне при возбуждении поперечных колебаний устанавливаются стоячие волны причем в местах закрепления струны должны располагаться узлы.
37943. Определение ускорения силы тяжести при свободном падении тела 374 KB
  Центростремительное ускорение соответствующее движению Земли по орбите годичное вращение гораздо меньше чем центростремительное ускорение связанное с суточным вращением Земли. Поэтому с достаточной точностью можно считать что система отсчета связанная с Землей вращается относительно инерциальных систем с постоянной угловой скоростью суточного t = 86400 с вращения Земли . Если не учитывать вращение Земли то тело лежащее на ее поверхности следует рассматривать как покоящееся сумма действующих на это тело сил равнялось бы тогда...
37944. Изучение закона сохранения энергии с помощью маятника Максвелла 188 KB
  12 Лабораторная работа № 13 Изучение закона сохранения энергии с помощью маятника Максвелла 1. Цель работы Изучение закона сохранения энергии на примере движения маятника Максвелла. Диск маятника представляет собой непосредственно сам диск и сменные кольца которые закрепляются на диске. При освобождении маятника диск начинает движение: поступательное вниз и вращательное вокруг своей оси симметрии.
37945. НАКЛОННЫЙ МАЯТНИК 252 KB
  Изучение силы трения качения. Определение коэффициента трения качения. Со стороны поверхности на тело действует сила трения FТР. Тело скользит по поверхности со скоростью на него действует сила трения совершающая отрицательную работу вследствие чего полная механическая энергия системы уменьшается т.
37946. Изучение закона сохранения момента импульса с помощью гироскопа и определение скорости его прецессии 695 KB
  12 Лабораторная работа № 15 Изучение закона сохранения момента импульса с помощью гироскопа и определение скорости его прецессии 1. Цель работы Изучение гироскопического эффекта и закона сохранения момента импульса с помощью гироскопа. Определение скорости прецессии гироскопа измерение угловой скорости вращения маховика гироскопа и момента инерции гироскопа. Справедливость этого закона можно проверить с помощью гироскопа.
37947. Определение коэффициента Пуассона воздуха методом адиабати 445 KB
  1 Определение коэффициента Пуассона воздуха методом адиабатического расширения: Методические указания к лабораторной работе № 16 по курсу общей физики Уфимск. В работе определяется коэффициент Пуассона воздуха методом адиабатического расширения основанным на измерении давления газа в сосуде после последовательно происходящих процессов его адиабатического расширения и изохорного нагревания.8] Список литературы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА ВОЗДУХА МЕТОДОМ АДИАБАТИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ 1. Цель работы Определение...
37948. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ И ЗАКОНОВ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА 146.5 KB
  1 Экспериментальная проверка уравнения состояния и законов идеального газа: Методические указания к лабораторной работе № 17 по курсу общей физики Уфимск. В работе изучается взаимосвязь параметров задающих состояние идеального газа и закономерности их изменения. Контрольные вопросы [7] Список литературы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 17 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ И ЗАКОНОВ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА 1.
37949. Определение коэффициента Пуассона воздуха акустическим методом 128 KB
  Обратимся к молярным теплоемкостям идеального газа при постоянном объеме и при постоянном давлении. Внутренняя энергия идеального газа – это энергия теплового движения молекул и атомов в молекулах. Следовательно средняя энергия теплового движения молекулы идеального газа равна 2. Внутренняя энергия  молей газа равна 2.
37950. Определение коэффициента вязкости воздуха и кинематических характеристик теплового движения его молекул 888 KB
  1 Определение коэффициента вязкости воздуха и кинематических характеристик теплового движения его молекул: Методические указания к лабораторной работе №23 по курсу общей физики Уфимск. В работе на основе исследования одного из явления переноса внутреннего трения определяютcя коэффициент вязкости воздуха а также средняя длина свободного пробега и эффективный диаметр его молекул. Осипов ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВОЗДУХА И КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ ЕГО МОЛЕКУЛ 1.2 Определение средней длины...