Обладнання і матеріали

Учбова волоконно-оптична лінія звязку УВОЛЗ-2; осцилограф (С1-83); імпульсний генератор (Г5-15); еталонний волоконний світловод; тестовий волоконний світловод; блоки живлення джерела і фотоприймача.

Теоретична частина

Створення скляних світловодів з малими втратами, швидкодіючих джерел когерентного випромінювання і фотоприймачів дало можливість почати практичне застосування волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ), привабливих з цілого ряду причин. Це насамперед широкополосність і величезна інформаційна ємність, властива оптичним методам передачі й обробки сигналів, практично повна захищеність від зовнішніх електромагнітних впливів, експлуатаційна безпека. Для доступу до сигналу, що розповсюджується по світловоду, оптичний кабель потрібно зруйнувати (розірвати), тобто ВОЛЗ забезпечує прихованість передачі інформації. Заміна кольорових металів матеріалами з необмеженими сировинними ресурсами, потенційно проста технологія виробництва волоконно-оптичних кабелів істотно здешевлює лінії зв'язку. Скляні світловоди можуть працювати при високих температурах, мають хімічну стійкість, малу вагу, поперечний перетин і т.п. Отже, ВОЛЗ по найважливіших показниках перевершують всі інші системи зв'язку (але, звичайно, непридатні для зв'язку з рухомими і космічними об'єктами).

Ключовим елементом, що значною мірою визначає переваги волоконно-оптичних систем зв'язку, є світловод із малими оптичними втратами. Типові значення послаблення сигналу в скляному багатомодовому світловолокні складають 3-4 дБ/км у спектральній області 0,8-0,9 мкм (що узгоджуються з арсенід-галієвими джерелами випромінювання) і 0,5-1 дБ/км в області 1,3-1,6 мкм. Мінімальні втрати для чистого кварцового волокна припадають на довжину хвилі 1,55 мкм і складають 0,14-0,16 дБ/км, а у випадку легування серцевини діоксидом германия-0,2-0,3 дБ/км, що відповідає послабленню сигналу 1-2 % на 1 км і дозволяє здійснювати безретрансляційний зв'язок на великих відстанях аж до ста кілометрів.

Відносно коротка ВОЛЗ складається із світлодіода, оптичного кабеля і фотодіода. Проте навіть у цьому простому випадку виникає цілий ряд проблем: оптичне зєднання світловолокна з джерелом випромінювання і фотоприймачем, їхнє узгодження по спектральному діапазону і швидкодії, що дозволяє реалізувати переваги оптичного зв'язку тощо. Для підвищення надійності і зручності роботи світлодіод або напівпровідниковий лазер, електронну мікросхему, дискретні елементи, вузол оптичного стикування разом із розєднувачем для з'єднання зі світловолокном збирають у вигляді єдиного пристрою, що називається квантово-електронним модулем (КЕМ). Для підтримки вихідної потужності випромінювання незмінною при зміні температури, а також у результаті деградаційних процесів у КЕМ використовують зворотний зв'язок. Для цього в передаючий КЕМ (ПерКЕМ) додатково встановлюють фотодіод, на який потрапляє частина випромінювання джерела і сигнал із якого подають на електронну схему. Зміна вихідної потужності компенсується автоматичною зміною сили струму, що протікає через світлодіод або лазерний світлодіод. В залежності від типу ВОЛЗ джерелом випромінювання в ПерКЕМ може бути світлодіод або лазерний світлодіод. Подібно передаючому КЕМ на базі фотоприймача (зазвичай фотодіода) компонують приймальні КЕМ (ПрКЕМ).

Споживчі характеристики ВОЛЗ значною мірою визначаються ефективністю волоконного світловода. Ефективність останнього залежить, у першу чергу, від ефективності ввода випромінювання у ВС і параметрів, які характеризують енергетичні й інформаційні якості: конструктивних параметрів і параметрів розповсюдження. До конструктивних параметрів відносять геометричні і оптичні параметри ВС, а до параметрів розповсюдження – параметри затухання випромінювання і параметри широкосмужності.

Втрати потужності випромінювання при його розповсюдженні по ВС виникають за рахунок: розсіювання світла на неоднорідностях матеріалу світловода; поглинання і розсіювання світла на іонах деяких домішок у матеріалі світловода; зміни модової структури випромінювання, що розповсюджується по ВС.

Затухання імпульсу оптичного випромінювання у волоконному світловоді довжиною l без врахування його розширення при розповсюдженні визначається за співвідношенням

,

де W₀= P₀t₀ – потужність випромінювання на вході світловода (Р₀ – пікова потужність на вході, t₀ – тривалість імпульсу),  - показник затухання випромінювання (в км^-1), W= Pt₁– потужність на виході світловода. При розповсюдженні у світловоді можливе розширення імпульсу з часом від тривалості імпульсу t₀ до t₁, причому тривалість останнього

,

де  - розширення імпульсу за рахунок різної групової швидкості різних мод у багатомодовому світловоді, _d – розширення за рахунок дисперсії матеріалу серцевини світловода, зумовлене різними фазовими швидкостями для різних довжин хвиль (якщо випромінювання має певну ширину оптичного спектра , тобто не є строго монохроматичним). В одномодовому світловоді з одномодовим лазерним світлодіодом   0, тому  = 0 , _d= 0, тобто t₀  t₁. У такому випадку для визначення показника затухання можна скористатися спрощеним співвідношенням

.

У цілому повне затухання у світловоді характеризують коефіцієнтом затухання потужності -  (в дБ), який визначають за співвідношенням

.

У системах волоконно-оптичного звязку послаблення у світловоді прийнято характеризувати не показником послаблення, а коефіцієнтом модового затухання або просто коефіцієнтом затухання -  (в дБ/км)

.

Існує декілька методів вимірювання коефіцієнта затухання: двоточковий; заміщення; оберненого релєєвського розсіювання; роздільного вимірювання показників поглинання і розсіювання; вимірювання при витягуванні волокна. Найбільш поширеними є перших два методи. Метод заміщення фактично є модифікацією двоточкового методу. Його суть така. Беруть два світловоди: еталонний (короткий, довжиною l₁) і той, що підлягає тестуванню ( довжиною l₂). Спочатку до КЕМів приєднують еталонний світловод і вимірюють потужність на виході ВОЛЗ. Потім еталонний світловод замінюють тестовим і знову вимірюють потужність сигналу на виході лінії звязку. Шуканий коефіцієнт затухання розраховують за співвідношенням

,

де А₁, А₂ – амплітуди сигналів на виході еталонної та тестової ліній відповідно.