Волоконно-оптичні лінії зв'язку. (Лекція 8) презентация

ЗОБРАЖЕНЬ І СВІТЛОВОГО ПОТОКУ ЗА ДОПОМОГОЮ ТОНКИХ ОПТИЧНО ІЗОЛЬОВАНИХ ВОЛОКОН, ВИГОТОВЛЕНИХ ІЗ ПРОЗОРИХ МАТЕРІАЛІВ. ПЕРЕДАЧА СВІТЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ ВЗДОВЖ ВОЛОКНА ВІДБУВАЄТЬСЯ ЗА РАХУНОК ПОВНОГО ВНУТРІШНЬОГО ВІДБИВАННЯ ПРОМЕНІВ У ВОЛОКНІ. ПРИНЦИПОВОЮ ОСОБЛИВІСТЮ ВОЛОКОННИХ ПРИСТРОЇВ Є ТЕ, ЩО ВОНИ ПЕРЕНОСЯТЬ ЗОБРАЖЕННЯ, АЛЕ САМІ НЕ ФОРМУЮТЬ ЙОГО (ЯК ЦЕ РОБЛЯТЬ ЛІНЗОВО-ДЗЕРКАЛЬНІ СИСТЕМИ).
ВОЛОКОННА ОПТИКА В ПОРІВНЯННІ З ЛІНЗОВИМИ ПРИСТРОЯМИ МАЄ ТАКІ ПЕРЕВАГИ.
1. БІЛЬШЕ АПЕРТУРНЕ ЧИСЛО, ВНАСЛІДОК ЧОГО РОЗМІРИ ОПТИЧНОГО ПРИСТРОЮ ЗНАЧНО ЗМЕНШУЮТЬСЯ І ЗМЕНШУЮТЬСЯ ВИМОГИ ДО ЯКОСТІ МАТЕРІАЛУ, ТОЧНОСТІ РОЗРАХУНКУ І ВИГОТОВЛЕННЯ, А ТАКОЖ ДО УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ.
2. БІЛЬШ ВИСОКУ ЕФЕКТИВНІСТЬ ПЕРЕДАЧІ СВІТЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ.
3. МІНІМАЛЬНЕ ОПТИЧНЕ СПОТВОРЕННЯ І БІЛЬШ ВИСОКУ РОЗДІЛЬНУ ЗДАТНІСТЬ, ЩО ДОЗВОЛЯЄ ОДЕРЖУВАТИ ВИСОКОЕФЕКТИВНІ ЗОБРАЖЕННЯ.
4. ВІДНОСНА ПРОСТОТА, ПРИДАТНІСТЬ ДЛЯ РОБОТИ В ШИРОКИХ ЧАСТОТНИХ МЕЖАХ (ВІД СУБМІЛІМЕТРОВОЇ ОБЛАСТІ СВЧ ДО УЛЬТРАФІОЛЕТОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ) І ВИСОКА ЕНЕРГЕТИЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ.
ПЕРЕХІД ВІД РАДІОДІАПАЗОНУ ДО ОПТИЧНОГО ДІАПАЗОНУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ ДОЗВОЛЯЄ ЗБІЛЬШИТИ НЕСУЧУ ЧАСТОТУ В 104 – 106 РАЗІВ І ВІДПОВІДНО ЗБІЛЬШИТИ ОБ’ЄМ ІНФОРМАЦІЇ, ЯКА ПЕРЕДАЄТЬСЯ. ШВИДКОСТІ ПЕРЕДАВАННЯ У СУЧАСНИХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ СИСТЕМАХ ДОСЯГАЮТЬ 1-10 ГБІТ/С, ЩО ЗАБЕЗПЕЧУЄ ПЕРЕДАВАННЯ ПО ОДНОМУ КАНАЛУ ЗВ’ЯЗКУ ГІГАНТСЬКОГО МАСИВУ ІНФОРМАЦІЇ: 2 МЛН. ТЕЛЕФОННИХ РОЗМОВ АБО 2 ТИС. ТЕЛЕВІЗІЙНИХ ПРОГРАМ ОДНОЧАСНО.

Corning отримала волоконні світловоди із загасанням менше 20 дБ/км, потім освоїла виготовлення волоконних світловодів з загасанням до 4 дБ / км, і з цього часу почалося практичне використання ВОЛЗ, стрімкий розвиток волоконних систем.

Три вчених лабораторії Corning (зліва направо) Дональд Кек, Роберт Мауер і Пітер Шульц.

використанні ефекту повного внутрішнього відбивання, який вперше спостерігав у 1870 р. Тіндаль. Можливі типи світловодів повного внутрішнього відбивання наведені на рис. 1. У залежності від розмірів поперечного перерізу світловоди поділяються на дві групи – світловоди з розмірами поперечного перерізу набагато більшими за довжину світлової хвилі, і світловоди з одним із розмірів поперечного перерізу або обома порівняними з довжиною світлової хвилі.
Цей поділ базується на тому, що в першому випадку поширення світла відбувається у відповідності до законів геометричної оптики, тоді як у другому випадку проходження світла крізь світловоди слід розглядати з точки зору хвильової, електромагнітної теорії світла, використовуючи математичний апарат рівнянь Макссвела. Світловоди, для яких товщина порівняна з довжиною світлової хвилі, називаються хвилеводами.
Віссю світловода називають вісь симетрії, яка проходить паралельно його направляючим поверхням у випадку світловодів сталого поперечного перерізу.
Для передачі зображення з високою роздільною здатністю тонкі циліндричні світловоди-волокна діаметром 5–15 мкм об’єднують в джгути з досить великою площею поперечного перерізу. При тісному контакті світловодних волокон в джгуті на досить великій довжині частина світла внаслідок порушення явища повного внутрішнього відбивання може переходити із одного волокна в друге – сусіднє.

прямокутний, г – циліндричний з оболонкою, д – гексагональний.

Типи світловодів

Відбивання та повне внутрішнє відбивання на межі двох середовищ.

Рис. 3. Поширення світла в оптичному волокні.

променя в градієнтних світловодах.

ГРАДІЄНТНІ ВОЛОКНА

Інтерес до градієнтних світловодів обумовлений тим, що у відносно товстій серцевині такого світловода поширюється багато мод, і їх дисперсія залишається малою. Враховуючи легкість збудження і стиковки світловодів це дозволяє використовувати градієнтні світловоди в довгих лініях зв’язку з високою пропускною здатністю.

методи осадження матеріла із газової фази. Кожна із вказаних груп виготовлення оптичних волокон має багато різновидностей.
Одержання волокон методом хімічного осадження із газової фази (MCVD-процес) виконується у два етапи: спочатку виготовляють двошарову кварцову заготовку, а потім із неї виготовляють волокно.

Рис. 5. Загальний вигляд установки для одержання волокон методом хімічного осадження із газової фази.

опорної трубки із кварцу з показником заломлення n2 довжиною 0,5 ÷ 2 м і діаметром 16 ÷18 мм подається струмінь хлорованого кварцу (SiCl4) і кисню (О2). У результаті хімічної реакції при високій температурі (1500-1700оС) на внутрішній поверхні труби осаджується шарами чистий кварц (SiO2). Таким чином, заповнюється вся внутрішня порожнина труби, крім центральної частини.

ще більш висока температура збільшується до 1900-2000оС. Чистий осаджений кварц стає сердцевиною оптичного волокна з показником заломлення n1, а саме труба виконує роль оболонки з показником заломлення n2.

Профіль показника
заломлення

n2

n1

2000°

2000°

Утворення трубки

SiO2
+
GeO2

SiO2

стекол для серцевини і оболонки, які знаходяться в концентрично розміщених платинових тиглях з філь'єрами всередині їх основ. У внутрішній тигель вміщують скло серцевини, а у зовнішній - скло оболонки. Відстань між філь’єрами та їх розміри підбираються так, щоб відбувалась необхідна дифузія між стеклами серцевини і оболонки і щоб можна було витримати потрібні розміри серцевини і оболонки.

Рис. 6. Схема установки для витягування світловодів методом подвійного тигля.
1 – внутрішній тигель;
2 – розплавлене скло серцевини;
3 – зовнішній тигель;
4 – розплавлене скло оболонки;
5 – волокно.

1

2

3

4

5

виготовлення оптичного волокна, вкритого захисною оболонкою

із розплаву

визначають можливість використання світловодів. Для їх кількісної оцінки служить затухання світлового сигналу [дБ/км], яке визначається як:

де Рвх і Рвих – потужності сигналу у світловоді довжиною l [км] у вхідного і вихідного торців.
Втрати пропускання в оптичному середовищі обумовлені дією механізмів абсорбції і розсіювання. Абсорбційні втрати зв’язані перш за все з поглинанням світла на центрах забарвлення – іонах домішок, із яких найбільш “неприємними” є метали групи мідь-хром.

Числовою апертурою А оптичної системи називається добуток:

де n – показник заломлення середовища в просторі предметів; α - кут, під який видно радіус вхідного зрачка оптичної системи із точки перетину її осі з площиною предмета. Якщо імерсійними рідинами не користуються, то n = 1 (повітря). У більшості випадків оптичні волокна характеризуються числовою апертурою, яка перевищує середнє значення її для звичайних лінзових систем. Саме ця властивість волокон обумовлює широкі перспективи їх практичного використання.

апертура

Подільник пучка

Фотодетектор опорного каналу

Пристрій для подавлення мод

Зварне або розйомне з’єднання волокон

Досліджуване оптичне волокно

фотодетектор

Схема лабораторної установки для вимірювання характеристик оптичного волокна, яка дозволяє вимірювати втрати, матеріальну і міжмодову дисперсію в широкому діапазоні довжини хвиль.

Вимірювання втрат у волокні реалізується шляхом вимірювання затухання волокна різної довжини. Спочатку вимірюють затухання усього волокна, а потім після відрізування кусків певної довжини. Оцінка втрат здійснюється шляхом вимірювання потужності Ф1, яку передає волокно повної довжини l1, і порівнюють її з потужністю Ф2, виміряної на виході волокна, укороченого приблизно на 5 м (l2). Тоді втрати пропускання В [дб/км]:

ВС, вільно укладеними в трубку; б – з чотирма ВС, вільно укладеними в двох трубках по два ВС у кожній; в – з периферійним і центральним розташуванням елементів; г – з ВС, закрученими навколо центрального силового елемента; д – з ВС укладеними в пази профільованого сердечника, е – з ВС, укладеними в матрицю 12×12.

вузлами зв'язку. Вони розраховані на короткі відстані (до | 10 км) і велике число каналів. Градієнтні волокна (50/125 мкм). Довжина хвилі 0,85 і 1,3 мкм. Ці лінії, як правило, працюють без проміжних лінійних регенераторів.

фокусуючих систем (рис. 9)

Рис. 9. Різні варіанти способів підвищення ефективності введення випромінювання в світловод за допомогою лінзових систем: 1 – випромінювач; 2 – світловод; 3 – фокусуючий елемент.

Роберт Мауэр и
Питер Шульц в 1970 году впервые в мире создали оптическое волокно,
которое было возможно использовать в коммерческих целях.

5. Поширення світла в оптичному волокні.

серцевини 2а і оболонки 2b рівні 50 і 125 мкм.

– зміцнюючий елемент, 3 – внутрішня оболонка, 4 – зовнішня оболонка.

– нагрівний елемент; 3 – хлорований кварц; 4 – германій; 5 – ВАКУУМНИЙ НАСОС; 6 – ОСАДЖУВАНІ ШАРИ.

внутрішній тигель;
2 – розплавлене скло серцевини;
3 – зовнішній тигель;
4 – розплавлене скло оболонки;
5 – волокно.

сердцевины больше показателя преломления оболочки (n1>n2) менее чем на 1%. Характерные значения 1,47 и 1,46 соответственно.

n1

n2

n2

125 мкм, что позволяет использовать в структурированной кабельной системе (СКС) стандартизованные разъемные и неразъемные соединения.

Диаметр сердцевины оптических волокон может отличаться.
Типичные значения:
оптоволокно многомодовое - диаметром сердцевины 50 мкм
оптоволокно многомодовое - диаметром сердцевины 62.5 мкм
оптоволокно одномодовое - диаметром сердцевины 8-10 мкм

из сверхчистого диоксида кремния (SiO2). Для изменения n, в стекло добавляют примеси (германий, фосфор увеличивают n, бор, фтор – уменьшают).
Стеклянные воолкна с пластиковой оболочкой.
Пластиковые волокна

и многомодовое оптические волокна

В соответствие этим окнам выпускаются и излучатели.

сигнала.

Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно.
Молекулярная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. V(λ)=c/n(λ)
Волноводная дисперсия обусловлена тем, что оптическая энергия распространяется как по ядру, так и по оболочке.

расширение импульсов в оптоволокне

света в тепловую из-за микро вкраплений.
Потери на изгибах
Выход излучения за пределы сердцевины и поглощение в оболочке.

с малыми потерями, путем химического осаждения из газовой фазы.
Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно.

Во внутрь полой кварцевой трубки подается струя хлорированного кварца и кислорода. При высокой температуре на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц. Таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900°С), за счет которой происходит схлопывание.

химическое парофазное осаждение»

показателем преломления n1, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления n2. Вытяжка волокна из заготовки и намотка его на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла (1800...2200° С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна.

содержит стекло с более высоким показателем преломления, чем
внешний тигль. После вытекания стекла из сопла тиглей его
быстро остужают, получая волокно. К
достоинствам данного метода можно отнести тот факт, что
волокна могут быть сколь угодно большой длины, не нужно подготавливать заготовки.

метод
внешнего парофазного осаждения (Outside Vapour Deposition - OVD).

На этапе 1 происходит осаждение порошкообразной двуокиси кремния на тонком стержне. Горячий поток частиц порошкообразной двуокиси кремния движется над
поверхностью стержня, при этом некоторые частицы осаждаются на стержне. А сам стержень в
это время вращается и одновременно движется в осевом направлении, проходя через горелку.
Некоторые из частиц окажутся при этом в спекшемся состоянии. Когда произойдет осаждение
такого количества стекла, которого будет достаточно для образования и сердцевины, и
оболочки, процесс остановится, а исходный стержень будет извлечен из заготовки.

OVD).

пористая заготовка нагревается в среде газообразного хлора (при этом
удаляется вода), а затем нагревается еще сильнее, до температуры 1400 / 16000С, при которой
частицы белой сажи спекаются в сплошной стеклянный стержень без пузырьков воздуха –
заготовку. Все это происходит в печи, в контролируемых условиях. На этом этапе пористый
исходный стержень обычно усаживается и плавится.

Этап 3 – вытягивание волокна

способа
ее изготовления) вытягивается в волокно. Это происходит в
специальной вытяжной башне высотой около 12 м.

всего волокна, проверяется, нет ли
в волокне каких-либо трещин или каких-либо других повреждений. Такая проверка заключается в том, что волокно в течение примерно одной
секунды подвергается воздействию определенного растягивающего усилия. Если в волокне
имеются какие-либо трещины, то оно оборвется. После контрольного испытания прошедшее его
волокно отправляется в лабораторию, где оно подвергается другим испытаниям. Из одной заготовки обычно получают 50 / 150 км волокна.