3.09M

Categories: physics

physics

electronics

Основы передачи информации по волоконным световодам

1.

ОСНОВЫ
ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ ПО
ВОЛОКОННЫМ
СВЕТОВОДАМ

Свет представляет собой один
из видов электромагнитной
энергии, носителем которой
является электромагнитное
поле, т.е. особый вид материи,
оказывающий силовое
воздействие на заряженные
частицы и обладающий
энергией, массой, скоростью

3.

В волоконной оптике свет
рассматривают и как
частицу, и как волну

4.

Волоконно-оптическая связь — вид
проводной электросвязи, использующий
в качестве носителя информационного
сигнала электромагнитное излучение
оптического (ближнего инфракрасного)
диапазона, а в качестве направляющих
систем — волоконно-оптические кабели

5.

Передача света
В передаче света по оптическому волокну
используется три основных элемента:
передатчик, приёмник, и среда передачи,
которая и передает сигнал. Использование
оптоволокна добавляет в эту систему
затухание и дисперсию. Затухание
заставляет увеличивать мощность
передатчика, чтобы к приёмнику дошёл
приемлемый уровень сигнала. Дисперсия,
со своей стороны, ограничивает
пропускную способность передаваемых
по волокну данных

6.

7.

Оптоволокно — это волновод, по
которому распространяются
электромагнитные волны с длиной
волны порядка тысячи нанометров
(10-9 м). Это область
инфракрасного излучения, не
видимого человеческим глазом

8.

Строение оптического волокна

9.

Оптический волновод - это тонкая
стеклянная нить, окруженная
пластиковым защитным покрытием.
Нить оптоволокна состоит из двух
частей: внутренняя сердцевина и
наружная оболочка.
Свет, введенный в стеклянную
сердцевину проходит в ней
многократно отражаясь от её границы
с оболочкой

10.

Закон отраж е ния и пре ломле ния
α
β
среда 1
n1
среда 2
n2
γ
α = β – закон отражения;
n1 sin α = n2 sin γ – закон преломления

11.

Критический угол падения
αкр
среда 1
n1
среда 2
n2
γ
sin αкр= n2/n1

12.

Апертура ОВ

13.

Угол между оптической осью и
одной из образующих светового
конуса – лучей, падающих в
торец ОВ, для которых в
дальнейшем выполняется
условие полного внутреннего
отражения, носит название
апертура ОВ

14.

Физически апертура
характеризует эффективность
ввода оптического излучения в
ОВ, а для ее числовой оценки
используется понятие числовой
апертуры (NA)

15.

Преломление
Явление преломления выражается в
изменении угла прохождения луча света через
границу двух сред. Если α > α0, то луч
полностью преломляется и выходит из
сердцевины
n1 sin αi = n2 sin αr

16.

Отражение
Отражение является изменением направления
светового луча на границе между двумя
средами. В этом случае, световой луч
возвращается в сердцевину, из которой он
произошел.
Если α < α0, то луч отражается и остается в
сердцевине αi = αr
αi = αr

17.

Мода
- это характерное распределение
электромагнитного поля (тип
волны), которая распространяется
в оптоволокне и соответствует
определенному типу колебаний
или определенной траектории
прохождения луча

18.

Прохождение мод

19.

По волокну могут
распространяться, как только одна
мода - одномодовый режим, так и
много мод - многомодовый режим.
Многомодовый или одномодовый
характер, идущего по волокну
света, коренным образом влияет на
дисперсию, а следовательно, и на
пропускную способность волокна

20.

Число мод, допускаемых в ОВ,
колеблется от 1 до 100000.
ОВ позволяет свету
распространяться по множеству
траекторий, число который
зависит от размера и свойств
волокна

21.

Типы оптоволокна

22.

Геометрические размеры
оптических волокон

23.

Одномодовое волокно

24.

Многомодовое волокно

25.

Многомодовые волокна:
А=50мкм; 62,5мкм; 85мкм; 100мкм;
В=125мкм;
С=250; 400мкм; 500мкм; 600мкм; 900мкм;
Одномодовые волокна:
А=7-10мкм;
В=125мкм;
С=250мкм; 400мкм; 500мкм; 600мкм; 900мкм,
где
А – сердцевина;
В – оболочка;
С – защитное покрытие

26.

ММ-волокна
- Большие диаметр сердцевины
(50/62.5мкм) и числовая апертура;
- Относительные простота монтажа и
дешевизна активных и пассивных
компонентов ВОЛС;
- Ограниченная, в следствии
межмодовой дисперсии, полоса
пропускания ≤1 ГГц/км;
- Длина линии не превосходит 2 км

27.

SM- волокна
- Диаметр сердцевины ≤10мкм;
- Относительная сложность монтажа и
более дорогие компоненты;
- Практически отсутствуют
ограничения на полосу пропускания;
- Возможны скорости передачи
до1000 Гбит/с;
- Возможные расстояния передачи
до1000 км

28.

Показатель преломления
оптического волокна
показывает во сколько раз
скорость распространения света
в среде (в данном случае
в оптическом волокне) меньше,
чем скорость распространения
света в вакууме

29.

где:
n – показатель преломления
С0 – скорость распространения света
в вакууме. (3*108 м/с)
Сn – скорость распространения света
в волокне

30.

Профиль показателя
преломления оптического
волокна -
зависимость показателя
преломления n волокна от
расстояния r от оси волокна

31.

ППП

32.

Основные виды ППП

33.

Три профиля преломления:
ступенчатый и градиентный
для многомодового волокна
и ступенчатый для
одномодового

34.

35.

Ступенчатый ППП в MM ОВ
В многомодовых волокнах моды света
распространяются по различным путям,
но, из-за постоянного коэффициента
преломления сердцевины с
ОДИНАКОВОЙ скоростью, те моды,
которые вынуждены идти по ломанной
линии приходят позже, чем моды,
идущие по прямой.
Поэтому исходный сигнал
растягивается во времени

36.

37.

Градиентный ППП в MM ОВ
Те моды, которые раньше шли по
центру — замедляются, а моды, которые
шли по ломанному пути, наоборот,
ускоряются. Это произошло от того, что
коэффициент преломления сердцевины
теперь непостоянен. Он увеличивается
параболически от краев к центру,
позволяет увеличить скорость передачи
и получить распознаваемый сигнал на
приеме

38.

Затухание
сигналов в ОК обусловлено
собственными потерями мощности
в изолированных прямолинейных
ОВ и дополнительными
(кабельными) потерями,
возникающими в результате
сборки ОВ в кабель

39.

Световой сигнал проходит
сквозь стекло, он теряет
свою мощность. Уменьшение
в уровне мощности
выражается в децибелах (дБ)
или как уровень потерь за
расстояние (дБ/км)

40.

Свет поглощается
волоконным материалом и
его энергия преобразуется в
нагрев из-за молекулярных
примесей с резонансной
длинной волной

41.

42.

Рэлеевское рассеяние
- причина в дисперсионном
рассеянии части энергии света
во всех направлениях из
сердечника. Небольшая часть
этого света возвращается
обратно и называется обратным
рассеянием

43.

Рассеяние - потери, связанные с
рассеянием оптической энергии,
обусловлены неоднородностью в
волокне и его геометрической
структурой

44.

Эффекты обратного рассеяния
при передаче света

45.

Механизмы потерь в
волокне

46.

Дисперсия
- это рассеивание во времени
спектральных или межмодовых
составляющих оптического
сигнала, которое приводит к
увеличению длительности
импульса оптического излучения
при распространении его по ОВ

47.

Типы оптоволоконной
дисперсии

48.

Межмодовая дисперсия - вся энергия
не достигает конца оптоволокна
одновременно. Разные моды переносят
энергию по разным длинам

49.

Хроматическая дисперсия происходит,
потому что световой импульс имеет
разные длины волн, каждый
перемещается по волокну на различных
скоростях, которые расширяют импульс

50.

Поляризационная модовая
дисперсия (PMD) является
основным свойством одномодовых
волокон, влияющая на скорость
передачи данных.
PMD происходит из-за разных
скоростей распространения энергий
одной длины волны, но разной
поляризации с перпендикулярными
осями