Принципы работы волоконно-оптических систем передачи

Принципы работы волоконно-оптических систем передачи

 

 

Волноводное распространение

Оптические явления на границе раздела двух сред

волоконный оптический связь волновод

В основе волноводного распространения света лежит эффект полного внутреннего отражения. Этот эффект наблюдается тогда, когда свет проходит из более плотной оптической среды в менее плотную. Закон Снеллиуса  дает угол полного внутреннего отражения .

Коэффициент преломления

 

Т=I1/I2,

 

где I1 и I2 - интенсивности преломленного и падающего света соответственно. Коэффициент отражения

 

R=I1/I2,

 

где I1 и I2 - интенсивности отраженного и падающего света соответственно. R+T = 1 при отсутствии потерь.

Поляризацией света называют направление колебания вектора Е.  - вектор Е перпендикулярен плоскости прохождения луча.  - вектор Е параллелен плоскости прохождения луча.

Е-перпендикулярная волна

Е-параллельная волна

Прохождение света из менее плотной среды в более плотную.

Е-перпендикулярная волна

Е-параллельная волна

Прохождение света из более плотной среды в менее плотную. На этом графике показан угол полного внутреннего отражения.

Так же на обоих графиках показан угол Брюстера, при котором коэффициент отражения Е-параллельной волны равен нулю.

При нормальном падении света

 

= = .

 

Полное внутреннее отражение

 

В условиях полного внутреннего отражения на границе двух сред световая волна не отражается в одной точке. Волна выступает за границу раздела сред на расстояние ∆х (явление сдвига Гуса-Генхе). Расстояние ∆х определяется как расстояние от поверхности раздела сред, на котором вектор волны Е угасает в е раз.

Е=Е0 , где α - коэффициент затухания

 

α=

 

Отраженная волна испытывает фазовый сдвиг.

 

Оптические волноводы

 

Возможность распространения света в волокне обусловлена эффектом полного внутреннего отражения, чтобы обеспечить полное внутреннее отражение, необходимо добиться того, чтобы n световода был больше n подложки.

Для волноводов с толщиной h больше λ применимы законы геометрической оптики. Для волноводов с толщиной h ≈ λ применимы законы волновой оптики.

Характеристическое уравнение волнового распространения в волноводе имеет вид

∆ φ(n')=δh-δ13-δ12=2πm (m=1,2,3….)

 

Это уравнение решается графическими или числовыми методами.

Решение характеристического уравнения - дискретные значения углов. Физический смысл дискретных решений - дискретные углы, при которых возможно распространение волны.

постоянная распространения.

N (m)= β(m)⁄к - волноводный показатель преломления

V (m)= N (m)⁄с - скорость волны в волноводе

 

m	0	1	2	3	4	…
Φ(m)	Φ₀	Φ₁	Φ₂	Φ₃	Φ₄	…
β(m)	β ₀	β ₁	β ₂	β ₃	β ₄	…
N(m)	N ₀	N ₁	N₂	N ₃	N ₄	…
V(m)	V₀	V₁	V₂	V₃	V₄	…

 

Волновая мода - особый тип волны, который при фиксированном значении угла φ может распространяться в данном волноводе. Для планарного волновода различают два типа волн: ТМm и ТЕm - Е-параллельная и Е-перпендикулярная соответственно, m - индекс моды. Индекс моды определяет количество узлов в волне в поперечном сечении среды распространения.

 

Нормированная переменная

 

I)  Нормированная частота

II)  () Нормированный показатель преломления

!!! Критическое условие

III)  Степень ассиметрии

Характеристическое уравнение в нормированных переменных имеет вид

 

 

Критическое условие:  и n_пk=β

 

Если волновод симметричный, то

Количество мод в волноводе определяется по формуле

 

 

Критическое условие W=0

 

Цилиндрические волноводы

 

Количество мод в цилиндрическом волноводе определяется по формуле M=V²/2, где V=ka (n1²-n2²)½ a - радиус волновода.

В цилиндрическом волноводе различают 2 типа мод: меридианальные (проходят через ось волокна) и немеридианальные.

Профили показателя преломления:

.   Ступенчатый

.   Градиентный

Модовая дисперсия

 

При распространении нескольких мод в волокне наблюдается модовая дисперсия - явление уширения светового импульса. Модовая дисперсия ведет к ограничению количества передаваемой информации.

 

∆r=l*n1/c - l*n2/c=l/c (n1-n2)=l/c*∆n

 

Для борьбы с модовой дисперсией применяются световоды с постепенным изменением показателя n - ступенчатые и градиентные.

 

Окна прозрачности.

Значения затухания длин волн считаются минимальными (наиболее близкими к идеальной кривой) в трех диапазонах длин волн, показанных на графике.

1-е окно - в области 850 нм, ;

-е окно - 1270 (1280) - 1350 нм, ;

-е окно - 1528-1561 нм, .

 

 

Аппаратура СЦИ (SDH)

 

При разработке аппаратуры СЦИ была предусмотрена обязательная совместимость не только скоростей, но также стыков (интерфейсов. Для этого разработчики аппаратуры СЦИ руководствуются соответствующими рекомендациями ITU-T. К стандартным оптическим интерфейсам, определенным рекомендациями G.957, относятся следующие параметры: длина волны оптического излучения, диапазон длин волн, ширина спектральной линии излучения, уровень оптической мощности на передаче, коэффициент экстинкции, уровень чувствительности приемного устройства при заданном коэффициенте ошибки для данной скорости передачи. Выбор значений этих параметров определяется скоростью передачи информации и максимальной длиной линии. Аппаратура SDH всех уровней иерархии предназначена для работы на оптическое одномодовое волокно, параметры которого также регламентированы Рек. G.652, G.653, G.655.

Когда расстояние между пунктами, которые необходимо соединить при помощи ВОЛС с аппаратурой SDH, превышает ту длину, которая позволяет перекрыть энергетический потенциал системы на передающей стороне, либо на обоих концах линии применяется соответственно оптический усилитель мощности на передаче и предварительный оптический усилитель на приеме. Для всех уровней аппаратуры SDH стандартизированы оптические разъемы (оптические соединители) типа FC или PC, оптические внутри-стоечные соединительные шнуры (patchcord), тип и габариты плат, ячеек, габариты блоков и стоек, потребляемая электрическая мощность и напряжение питания и т.д.

Структурно аппаратура SDH состоит из следующих блоков:

1) оборудование внешнего доступа (ЕАЕ - external access equipment);

2) синхронный линейный регенератор SLR;

) синхронные разветвительные мультиплексоры SLR 4D/1, SLR 16D/1, которые обозначаются также ADM (ADD/DROP MULTIPLEXSOR).

Кроме упомянутых выше основных узлов и блоков в состав аппаратуры SDH входят:

1) система контроля и управления; блоки аварийной и предаварийной сигнализации;

2) блоки питания и защиты от перегрузок и внешних воздействий, том числе электромагнитных полей.

Система контроля и управления представляет собой совокупность датчиков различных параметров и цепей, соединяющих точки контроля и управления с персональным компьютером. Эта система позволяет осуществлять диагностирование состояния всего участка сети связи, в котором задействована данная аппаратура SDH. Предусмотрена также возможность управления и конфигурирования участков сети.

В случаях повреждения сети, в аппаратуре SDH всех уровней для предоставления возможности проведения восстановительных работ и обеспечения безопасности персонала предусмотрено устройство автоматического отключения лазера (Automatic Laser Shutdown) в соответствии с Рек. ITU-Т G.958.

 

 

Модовое уплотнение (MDM)

 

В некоторых системах передачи, основанных на использовании многомодового оптического волокна, находит применение так называемое модовое уплотнение (Mode Division Multiplexing). Процесс распространения оптического излучения в многомодовом оптическом волокне может быть рассмотрен с позиций геометрической оптики. В соответствии с этим, если на входной торец многомодового волокна под углом падает оптический луч, то, войдя через этот торец в волокно и распространяясь вдоль этого ОВ по строго определенной для него траектории, он выходит из выходного торца под таким же углом . Это справедливо и для остальных лучей, вводимых в ОВ каждый под своим углом  при условии  Применяя модовые селекторы на входе и выходе волокна, можно осуществлять передачу независимых информационных потоков на соответствующих модах, которые в этом случае играют роль каналов. Модовое уплотнение может работать только в случае отсутствия перемешивания или взаимного преобразования мод. Это условие может быть выполнено для таких многомодовых ОВ, в которых полностью исключается наличие локальных неоднородностей, в том числе изгибов. Обычно метод модового уплотнения применяется в некоторых системах автоматики, в которых информация передается на небольшие расстояния порядка единиц - десятков метров.

 

Принципы работы волоконно-оптических систем передачи

 

 

Волноводное распространение