20. Распространение света в волоконных линиях связи и ограничения в точках соединения.
Волоко́нно-опти́ческая связь — способ передачи информации, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования: незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.
В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.
Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютерови бортовых космических,самолётныхи корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связиЗападная Европа—Япония, большая часть которой проходит по территорииРоссии. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи междуконтинентами.
Волокно в каждый дом (англ.Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) — термин, используемый телекоммуникационными интернет-провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:
высокоскоростной доступ в Интернет;
услуги телефонной связи;
услуги телевизионного приёма.
21. Модуляторы света. Материалы для модуляторов.
Различают модуляцию:
- амплитудную,
- фазовую,
- частотную,
- поляризационную.
Регистрация излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации сопряжена с определенными техническими трудностями, поэтому на практике все виды модуляции преобразуют в амплитудную либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств.
Возможны два режима модуляции:
1) без поднесущей (модулируются непосредственно параметры световой волны);
2) с поднесущей (сначала модулируют промежуточное СВЧ колебание, затем используют для модуляции световой волны).
Простейший амплитудный модулятор представляет устройство, обеспечивающее периодическое прерывание светового потока с помощью колеблющихся или вращающихся заслонок, зеркал, призм, дисков с отверстиями и т.д. Применение ограничено из-за значительной инерционности и недостаточной надежности.
В основе современных модуляторов лежат физические эффекты в оптически анизотропных средах - линейный электрооптический эффект Поккельса, а также акусто - и магнитооптический эффекты.
Наиболее характерным свойством анизотропных кристаллов является двойное лучепреломление, т.е. раздвоение в них светового луча, обусловленное зависимостью показателя преломления среды от характера поляризации.
Другими словами, при падении на анизотропную среду произвольно поляризованной волны в ней возникают две волны со взаимно перпендикулярной ориентацией плоскостей их поляризации, распространяющейся с различными скоростями.
Для характеристики электрооптического эффекта в модуляторах вводится понятие «полуволновое напряжение» U = Ul/2обеспечивающее фазовый сдвиг Dj=p, т.е. размер прикладываемого напряжения, при котором фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°, т.е Dj=p
1- поляризатор,
2- анализатор,
3- электрооптический кристалл,
4- электроды,
5- световой поток ОКГ.
Рисунок 2.16. Схема электрооптического модулятора (ЭОМ)
Основные параметры, характеризующие модуляторы света
1. Полуволновое напряжение МС – минимальное напряжение, необходимое для изменения коэффициента пропускания модулятора от минимального до максимального значения, т.е. напряжение, обеспечивающее фазовый сдвиг выходящего света на 180°.
2. Коэффициент пропускания- определяется отношением интенсивности светового потока на выходе МС к световому потоку на его входе, в %.
3. Полоса пропускания, не выше 100 МГц(полоса модулируемых частот) – это разность верхней и нижней граничных частот.(нижняя может быть = 0, а верхняя частота определяется условием, что фаза волны при прохождении через кристалл изменяется не больше, чем на p.
4. Полоса прозрачности – диапазон длин волн лазерного излучения, проходящего через прибор без заметного ослабления ( до 3дб )
5. Коэффициент контрастности – отношение коэффициента пропускания прибора при полном просветлении (I/I0max) к коэффициенту пропускания при полном затемнении I/I0min ), обычно от 30:1 до 200:1. Здесь I-интенсивность светового потока на выходе, I0- интенсивность светового потока на входе.
6. Удельная управляющая мощность(q) – определяет затраты мощности сигнала при 100% глубине модуляции в единичной полосе частот и измеряется в Вт/МГц. –(для оценки эффективности МС)
Недостатками ЭОМ считают:
1) высокие управляющие напряжения,
2) невысокая оптическая прочность,
3) критичность к колебаниям Т0 окружающей среды.
К достоинствам ЭОМ можно отнести:
1) возможность пространственной модуляции оптического излучения,
2) возможность осуществления равномерной модуляции света по всему поперечному сечению пучка
В настоящее время разрабатываются магнитооптические модуляторы, основанные на эффекте Фарадея (эффекте поворота плоскости поляризации в некоторых средах под действием магнитного поля).
Используют для изготовления МОМ ферритгранаты, некоторые марки стекла.
Недостатки МОМ: для эффективной модуляции нужны сильные магнитные поля, отсюда невысокое быстродействие, граничная частота не больше 104-105 Гц, в ИК диапазоне резко ограничен выбор подходящего материала, поэтому МОМ не нашли широкого применения.
Преимущества: потребляемая мощность МОМ на порядок меньше, чем у лучших ЭОМ.
Акустооптические модуляторы (АОМ)
Принцип действия основан на дифракции света на акустических волнах.
Акустическая (ультразвуковая) волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, создает в ней области локального сжатия и разрежения и вызывает периодическое изменение показателя преломления n за счет эффекта фотоупругости.
Эффект фотоупругости (или линейный упругооптический эффект) заключается в том, что показатель преломления среды изменяется пропорционально механической деформации.
Достоинства:
- АОМ широко используется в лазерной технике из-за простоты и надежности. При этом амплитудные, фазовые, частотные, поляризационные модуляторы могут быть реализованы на базе одного и того же устройства при незначительных изменениях входной и выходной оптики.;
- пространственное разделение дифрагированного и нулевого пучков на выходе АОМ обеспечивает 100% глубину модуляции;
- суммарные оптические потери в 3-6 раз меньше , чем в ЭОМ;
- высокая температурная стабильность.
Недостатки:
- невысокое быстродействие, ограниченное временем распространение акустической волны.