МИНИСТЕРСТВО ПО РАЗВИТИЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОММУНИКАЦИЙ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН САМАРКАНДСКИЙ ФИЛИАЛ ТАШКЕНТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИМЕНИ МУХАММАДА АЛХОРАЗМИЙ ФАКУЛЬТЕТ: «ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ» Самостоятельная работа №1 по предмету: __________________________ ТЕМА: Основные элементы оптической системы связи Выполнил(а): Набиев .С.С САМАРКАНД - 2023 Содержание Оптические системы связи Структура и элементы линий связи Элементы систем связи Источники излучения Заключения Литература Оптические системы связи Оптические системы связи. Классификация. Схемы. Особенности. Структура и элементы линий связи. Источники излучения. Световоды. Физические эффекты, положенные в основу действия прибора. Виды. Конструкции. Применение. 14.1 Оптические системы связи. Классификация. Схемы. Особенности Интенсивные разработки систем оптической связи начались с появлением лазеров. Однако с течением времени стало ясно, что, за исключением отдельных случаев, открытые линии лазерной связи не могут обеспечить необходимой надежности из-за резкой зависимости затухания оптического сигнала от метеорологических условий. Поэтому потенциальные возможности оптической связи долгое время оставались практически не реализованными. Лишь в середине 60-х годов 20 –го века родилась мысль о возможности использования для этой цели стеклянных волоконно-оптических световодов. излучение световод прибор тигель Функции, выполняемые волоконно-оптическими системами связи, (ВОСС) непрерывно расширяются. ВОСС и их основной элемент волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) должны заменить в существующих информационных системах кабельные линии связи. В зависимости от конфигурации структурные схемы ВОСС можно разделить на четыре типа: продольные разомкнутые (рис,1.29,а), замкнутые по контуру (рис.1.29,б), радиальные (рис.1.29,в) и сетевые (рис.1.29,г). Наименьшую длину ВОЛС и наибольшую простоту подключения оконечных устройств-терминалов (Т) обеспечивают первые две структурные схемы. Однако с ростом числа терминалов увеличивается потребление оптической мощности и проявляется неравномерность ее распределения в структурах ВОСС. Поэтому приемник должен иметь широкий динамический диапазон регулировки усиления. Недостатком первых двух структурных cхем является также низкая пропускная способность, обусловленная последовательным прохождением информации. Радиальные структуры ВОСС - это схемы параллельного типа. Их целесообразно применять при большом количестве оконечных устройств и малых длинах ВОЛС. Обязательным элементом радиальной структуры является общее для всех терминалов устройство обмена информации (УОИ), коммутирующее каналы связи между абонентами. Сетевые структуры ВОСС эффективны при малом числе оконечных устройств. Эта разновидность ВОСС обладает наибольшим быстродействием, высокой надежностью, максимальным использованием излучаемой передатчиком энергии. Характерно, что обрыв одной связи между терминалами не приводит к выходу из строя всего устройства, так как перестройкой схемы можно изменить направление передачи информации в обход оборванной связи. В зависимости от протяженности ВОЛС включают следующие характерные группы: -линии большой протяженности, или магистральные; -линии средней протяженности, или внутригородские; -короткие, или внутриобъектовые линии связи. Магистральные линии должны обладать высокой пропускной способностью (не менее 108…1010 бит/с) и большим переприемным расстоянием (не менее 7...10 км). Внутригородские линии средней длины (l...5 км) предназначены для обеспечения связи АТС с абонентами и между собой; построения систем кабельного телевидения; связи высокопроизводительных центральных ЭВМ с отдаленными устройствами сбора и первичной обработки данных; связи с ЭВМ с далеко вынесенными терминалами; связи административно-управленческих центров с подразделениями в крупных индустриальных объединениях. 14.2 Структура и элементы линий связи 14.2.1 Структура Структура ВОСС содержит элементы, которые можно объединить в три большие группы: -ВОЛС (передающий и приёмный модули, волоконно-оптический кабель); -устройства обмена информации (устройства управления и оптические коммутаторы); -оконечные устройства (терминалы). Контроль и управление работой устройства обмена информации осуществляет микропроцессор, на выходе которого формируются коды адресов коммутируемых каналов BOЛC. Волоконно-оптическая линия связи (рис.1.30) включает в себя следующие основные структурные единицы: входное электронное кодирующее устройство (КУ), передающий модуль, оптический кабель, ретранслятор, приемный модуль, выходное электронно-декодирующее устройство (ДКУ). Передающий модуль преобразует цифровой сигнал в импульс тока, который управляет светодиодом. При использовании полупроводникового лазера схема модуля содержит модулятор и схему питания. Приемный модуль, кроме входного фотодиода, включает в себя схему усиления слабых фотосигналов, детектор и выходной усилитель. Обычно оба модуля имеют входные и выходные сигналы на уровнях ТТЛ-схем и обеспечивают скорость передачи информации до 500 Мбит/с. Для кодирования информации в ВОЛС наиболее удобна импульснокодовая модуляция, так как при этом существенно снижаются требования к линейности амплитудно-частотных характеристик и шумовой характеристике ретранслятора. При построении линий большой протяженности важно увеличить допустимую длину кабеля между соседними ретрансляторами (длина переприемного участка). Для получения длины переприемного участка порядка 10 км в линиях с высокой скоростью передачи информации (108 бит/с) необходимо использовать световоды типа селфок с потерями не более 5 дБ/км. В линиях малой протяженности(менее I км) сверхвысокие скорости передачи принципиально могут быть достигнуты на волокнах любого типа с относительно высокими потерями (20 дВ/км). 14.2.2 Элементы систем связи Лазеры обеспечивают высокое быстродействие ВОЛС: модуляции сигнала может лежать в гигагерцевом диапазоне. частота В качестве фотоприемников для оптических линий связи служат фотодиоды, обладающие высоким быстродействием, чувствительностью и малыми шумами. Наибольшее распространение получили p-i-n структуры. На фотоприемном конце ВОЛС должно быть обеспечено значение оптической мощности, равное 10-3...10-9 Вт. В качестве оптических усилителей, необходимых для регенерации света в тракте, можно использовать лазеры, работающие в режиме усиления, или гибридные оптоэлектронные ретрансляторы, состоящие из фотоприемника, электронного усилителя и излучателя. Устройства ввода, вывода.Ввод излучения в световод возможен при соответствии площадей поперечного сечения луча и внутренней жилы волокна, Световой поток вводится в торец волокна, поэтому он должен быть плоским и прозрачным, а его плоскость строго перпендикулярна к оси Для создания надежного и качественного соединения шероховатость торца световода Rz должна быть равна 0,05, плоскостность не хуже 1 мкм, неперпендикулярность торца по отношению к оси волокна в пределах 0,5...1,0о, что обеспечивается шлифованием и полированием. Сопоставление с полупроводниковыми лазерами показывает, что при стыковке светоизлучающих диодов с высокоапертурными светодиодами дополнительные потери при вводе составляют 2...4 дБ, с низиоапертурными - 10...12 дБ. Лучшее оптическое согласование достигается при малой площади излучателя и улучшенной диаграмме направленности генерируемого им света (рис.1.32). Размещение световедущей сердцевины волокна (3) непосредственно над активной областью (2) гетеросветодиода (I) позволяет снизить потери до сравнимых с вариантом лазерного источника. При использовании торцевого излучения (2) светодиода (I) сопряжение со световодом (3) (рис.1.33) осуществляется практически так же, как и в случае лазерного источника: проблема состоит в том, чтобы светодиод излучал в одном направлении. Эффективность ввода излучения от полупроводникового источника в световод повышается при использовании различных фокусирующих систем. Один из удобных вариантов реализации линзового входного устройства состоит в оплавлении концов световода до придания им полусферической формы. Разъемные соединения необходимы для передачи информации на среднее и ближнее расстояния. Оптические соединители должны удовлетворять следующим требованиям: вносить минимальные потери; обладать стойкостью к механическим воздействиям, температуре и радиации; обеспечивать защиту соединения от воздействия пыли, влаги, химического вещества. Опторазъемы с ивдивидуальной стыковкой отдельных волокон характеризуются очень малыми переходными потерями, а перекрестное затухание между соседними каналами превосходит 70 дБ. Для разветвления волоконных линий связи используется соединение световодов типа "звезда". Основой соединения является оптический смеситель, представляющий собой отрезок моноволоконного световода с посеребренным торцом (рис. 1.35). В нем поступающий световой поток благодаря эффекту многократного отражения равномерно распределяется во все подключенные световоды. Соединение типа "звезда" обеспечивает минимальные потери сигнала между терминалами, одинаковость этих потерь для любой пары каналов, слабую их зависимость от числа соединяемых каналов, высокую надежность связи.77 Для создания неразъемных соединений оптических волокон применяют склеивание, пайку и сварку. Этим операциям предшествует юстировка сопрягаемых волокон, которая выполняется с помощью плотно охватывавшей круглой трубки, металлической трубки квадратного сечения, П -образных канавок, зазоров, образованных направляющими прецизионными стержнями, При склеивании зазор между торцами волокон заливают каплей иммерсионной жидкости, в качестве которой используют эпоксидные смолы, клей, отверждающиеся в ультрафиолетовых лучах. Потери на соединениях составляют 0,1...0,6 дБ. Пайка волокон выполняется с помощью низкотемпературного стекла. При этом потери в соединении равны 0,2...0,45 дБ. В настоящее время применяют следующие виды сварки волокон: лазерную, плазменную, газоплазменную, электродуговую, с помощью нагревательного элемента. Механическая прочность сварного соединения понижается на 60...70% по сравнению с прочностью самого волокна, а средние потери в месте сварки не более 0,2...О,38 дБ. 14.3 Источники излучения Волоконно-оптические линии связи предъявляют более жесткие и специфические требования к источникам излучения. Вследствие большой протяженности световода (оптического волокна) требуется особенно тщательное согласование спектральных характеристик излучателя и волокна, в целях снижения затухания сигнала. Величина потерь при вводе излучения в оптическое волокно обусловлена углом расхождения лучей в пучке излучения. Поскольку скорость распространения излучения зависит от длины волны, во время этого процесса происходит разделение его спектральных составляющих (хроматическая дисперсия), которое тем заметнее, чем больше длина оптической линии связи и чем шире спектральная характеристика излучателя. Например, при полуширине спектральной характеристики 35...45 нм произведение оптической ширины полосы излучения на длину линии ограничивается 100...I40 МГц*км . Поэтому при передаче по оптическим каналам большого объема информации требуется высокое быстродействие излучателей. Источники излучения на основе AlxGa1-xAs имеют наиболее удачную комбинацию свойств для применения в волоконно-оптических линиях связи, разрабатываются преимущественно для этих целей и представляют собой либо источники с выводами излучения перпендикулярно к плоскости перехода, либо вдоль его. В волоконно-оптических линиях связи применяются также лазерные диоды на AlxGa1-xAs , которые имеют быстродействие до I ГГц и угол расхождения 40°х10°, в то время как для светодиодных излучателей в лучшем случае эти значения составляют 200 МГц и 120х40°. Однако излучатели дешевле и миниатюрнее лазерных диодов, меньше подвержены влиянию температурных изменений, более стабильны, имеют практически линейные ватт-амперные характеристики , что существенно при работе с аналоговыми сигналами. В качестве излучателей пригодны светодиоды и лазеры на основе гетероструктур GaAlAs и твердотельные ИАГ-Nd-лазеры, обеспечивающие значительную мощность излучения ( I0...50 мВт) и удобство ее ввода в волокно. Для GaAlAs -светодиодов типичное значение мощности излучения составляет 0,1...5 мВт. В качестве приемника служит одиночный или фотоприемник - лавинный фотодиод или р-i-n фотодиод. матричный В настоящее время используются три основных вида фотоприемников на основе GaAs и AlxGa1-xAs : с гомопереходом, обычно получаемым диффузией цинка, эпитаксиальные с гетеропереходами, диоды с барьером Шоттки. В гомопереходных фотоприборах толщина слоя, пропускающего излучение, должна быть минимальной, чтобы генерация носителей осуществлялась вблизи р-n перехода. Однако это увеличивает последовательное сопротивление поверхностного слоя и, следовательно, снижает КПД преобразования. Спектральная чувствительность таких приборов резко падает при увеличении энергии фотонов. Гетеропереходы лишены этих недостатков благодаря эффекту "окна". Они характеризуются следующими преимуществами: фотоны с анергией Eg2>hν>Eg1 проходят почти без поглощения через широкозонный материал и поглощаются вблизи области объемного заряда, образуя электронно-дырочные пары; коэффициент разделения для таких носителей может быть близок к единице, поскольку в этом случае область поглощения почти совпадает с областью разделения; толщина широкозонной области гетеропрохода может быть большой, а уровень легирования высоким, что снижает потери на внутреннем последовательном сопротивлении. 14.4 Световоды. Физические эффекты, положенные в основу действия прибора. Виды. Конструкции. Применение Передача света по волоконно-оптическим световодам основана на использовании эффекта полного внутреннего отражения, впервые экспериментально наблюдавшегося Тиндалем в 1870 г. Рассмотрим механизм светопередачи на примере классического светодиода цилиндрического двухслойного волокна. Поскольку внутренняя жила оптически более плотна, чем оболочка ( n1>n2), то для лучей, входящих в светодиод под малыми углами по отношение к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения. В результате при падении световой волны на границу с оболочкой вся ее энергия отражается внутрь сердцевины. То же .самое происходит и при всех последующих отражениях. Таким образом, свет распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеет место полное внутреннее отражение, определяете соотношением Равенство (1.8) справедливо при ∆n=(n1-n2)<=n1 . Величина А0 называется числовой апертурой световода и является его важной характеристикой при стыковке с излучателем. Для ступенчатых световодов А0 = 0,18...0,23, для градиентных А0 = 0,13...0,18. Лучи, падающие на торец под углом φ > φ0 (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражаются, но и преломляются - часть энергии уходит из сердечника. В конечном итоге после многих встреч с границей жила - оболочка такие лучи полностью рассеиваются из световодов. Лучи распространяются вдоль волокна и в том случае, если показатель преломления уменьшается от центра к краю не ступенчато, а постепенно (обычно по закону, близкому к параболическому). В таких волокнах из-за рефракции лучи, входящие в торец, фокусируются вблизи осевой линии. Любой отрезок волокна действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки. Такие световоды называют селфоками, или градиентными световодами. Оптические методами. волокна изготовляются двумя распространенными Метод осаждения из паровой фазы основан на высокотемпературной (I200...I600 °С) реакции получения чистого кварца (SiО2) из газовой смеси SiСl4 и О2 . Через нагретую кварцевую трубку пропускают указанную смесь с добавкой B2O3 или BCl3 . При этом оседает слой кварца, легированного бором, затем осаждают чистый кварц. После получения слоев требуемой толщины трубку нагревают сильнее и обжимают до "захлопывания", из полученной заготовки вытягивают тонкое волокно. (рис.1.36). В полученной трехслойной структуре чистый кварц образует внутреннюю световедущую жилу, а слой кварца, легированного бором с меньшим показателем преломления, светоотражающую оболочку. Третий слой из материала исходной кварцевой трубки в светопередаче не участвует. Необходимая световедущая структура получается и в том случае, если начальный слой (оболочку) изготавливать не из чистого кварца, а для сердцевины использовать легирование примесями, повышающими показатель преломления, например, GeO2,Al2O3,TiO2,P2O5 Метод двойного тигля (рис.1.37) используется для получения волокон из многокомпонентных стекол с более низкой температурой размягчения, чем у кварца. Стеклянные заготовки для создания соответствующей сердцевины и оболочки непрерывно поступают во внутренний и наружный тигли сверху, а снизу из тонкого сопла вытягивается двухслойное волокно. Для обеспечения высокой чистоты тигли изготовляют из платины или кварца, а вытягивание ведут в условиях, приближенных к герметичным. К описанному методу близок и такой процесс, при котором отдельно изготовляются трубка из материала оболочки и стержень из материала сердечника. Стержень вставляют в трубку и из подученной заготовки вытягивают волокно. Основной недостаток данного способа - трудность удаления загрязнений с поверхностей заготовок, образующих впоследствии границу раздела сердечник - оболочка. где Вр- релеевские потери. дБ/км; - удельные потери для данной примеси; Ni. - концентрация примеси, %. Сумма представляет собой линейные потери, пропорциональные длине волокна. Дисперсия светового импульса при его распространении по волокну определяется в основном дисперсией стекла или зависимостью показателя преломления от длины волны и волноводной дисперсией, обусловленной различием скоростей для распространяющихся волн различных типов. Если для простоты использовать представления геометрической оптики, то второй из названных эффектов объясняется различием путей светового луча вдоль оси световода и падающего на торец под некоторым углом φ0. Очевидно, что дисперсия сигнала будет тем значительнее, чем больше допустимое значение φ0, т.е. числовая апертура А0 . Конструкция световодов выбирается не только из соображений достижения минимума B и ∆tполн , но и исходя из ряда других факторов. В частности, при изгибе волокна во избежание механических нарушений должно выполняться условие =102 ...103. Высокоапертурные стеклянные волокна с большими потерями пропускания изготовляются лишь в виде многомодового двухслойного волокна соотношением –D2/D1 , как правило, меньшим 1.1, что обусловлено стремлением к уменьшению потерь упаковки Bуп при использовании световодных жгутов. Для дальней связи предназначены кварцевые волокна. Для коротких линий связи могут широко применяться волокна, по устройству и принципу действия подобные многомодовым высокоапертурным стеклянным световодам, но значительно более толстые ( D2 -250...350 мкм). Полимерные световоды имеют меньшее светопропускание (Bл= 200 дБ/км) и их спектральная характеристика удовлетворительна лишь до λ=0,85...0,9 мкм.86 Диапазон рабочих температур не превышает 60...80 С, долговременная стабильность параметров ниже, чем у стеклянных. а Существенное преимущество полимерных световодов перед стеклянными состоит в более высокой стойкости по отношению к ионизирующим излучениям, в простоте изготовления и низкой стоимости. Применение световодов: -ВОЛС; -датчики( в т.ч. сенсоры, имитирующие функции органов человека и животных, например «умная кожа» SMART SKIN(8)); -интерферометры(оптические приборы, основанные на интерференции света. Применяются для измерения длин волн спектральных линий, изучения их структуры, измерения неоднородностей показателя преломления прозрачных сред, дефектов отражающих поверхностей, измерений длин, угловых размеров, скорости света и т.д.) . Заключение Проблема быстрой передачи обширных массивов информации на значительные расстояния приобретает особую актуальность в связи с возрастающей потребностью современного общества в обмене информацией. Волоконно-оптические системы передачи PDH значительно повышают качество и экономичность информационных услуг. Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к созданию новой цифровой технологии SDH, ориентированной на использование волоконно-оптических кабелей в качестве среды передачи информации со скоростями, достигающими 40 Гбит/с. Принципы SDH предусматривают организацию универсальной транспортной системы, охватывающей все участки сети (от местных до магистральных) и выполняющей функции передачи, резервирования, оперативного переключения, ввода и выделения потоков информации в промежуточных пунктах, контроля и управления сетью. Технология SDH рассчитана на транспортирование сигналов всех цифровых иерархий (Европейской, Американской и Японской) и всех действующих и перспективных служб связи как с синхронным (SТМ), так и с асинхронным способами (АТМ) переноса информации, то есть является всемирно прозрачной и перспективной. Аппаратурная реализация SDH существенно отличается от традиционной, когда отдельно создавалась аппаратура линейного тракта, преобразовательная, контроля, резервирования и т.п. В SDH используются универсальные аппаратурные комплекты (синхронные мультиплексоры и аппаратура оперативного переключения), в которых совмещаются перечисленные функции. В сочетании с последними достижениями техники ЭВМ и микроэлектроники это резко сокращает объем и стоимость аппаратуры и требуемых помещений, работы по монтажу и настройке и т.д. В аппаратуре SDH легко реализуются прогрессивные сетевые конфигурации – кольцевые, разветвленные и другие, которые обеспечивают высокую гибкость и надежность сети. Такие конфигурации создаются, контролируются и управляются программными средствами на единой аппаратной базе. Список использованных источников 1 Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справочник / И.И. Гроднев, А.Г. Мурадян, Р.М. Шарафутдинов и др. – М.: Радио и связь, 1993. - 265 с. 2 Волоконно–оптические системы передачи: учебник для ВУЗов / М.М. Бутусов, С.М.Верник и др.; Под ред. В.Н. Гомзина. - М.: Радио и связь, 1992. - 416 с. 3 Волоконно-оптические системы связи на ГТС: Справочник. Берлин Б.З. и др. - М.: Радио и связь, 1994. - 172 с. 4 Гауэр, Дж. Оптические системы связи. - М: Радио и связь, 1989. - 502 с. 5 Корнилов И.И. Цифровая линия передачи: учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию по курсу МСП. - Самара: ПГАТИ, 1998. - 125 с. 6 Многоканальные системы передачи: учебник для ВУЗов / Н.Н. Баева, В.Н. Гордиенко, С.А. Курицын и др.; Под ред. Н.Н. Баевой и В.Н. Гордиенко. - М.: Радио и связь, 1997. - 560 с. 7 Оптические системы передачи: учебник для ВУЗов / Б.В.Скворцов, В.И.Иванов, В.В. Крухмалев и др.; Под ред. В.И.Иванова. – М.: Радио и связь, 1994. - 224 с. 8 Проектирование волоконно–оптических линий связи: уч. пособие по дипломному и курсовому проектированию для специальностей 2305 и 2306 / В.А. Бурдин и др. - Самара: ПИИРС, 1992. - 148 с.
