Структурная схема волоконно-оптической системы передачи.

Структурная схема волоконно-оптической системы передачи.

Используемая в таких системах несущая частота на несколько порядков выше, чем в системах радиосвязи и радиорелейных линиях.
Электрический сигнал после аппаратуры передачи преобразуется в световой. Затем он передаётся по волоконно-оптическому кабелю (ВОК). Волоконно-оптический кабель –совокупность оптических волокон, имеющая защитное покрытие и предназначенная для передачи оптических сигналов. Ретранслятор ведёт себя как оптический усилитель. Переданный сигнал попадает на фотоприёмник, преобразующий световые импульсы в электрические, которые усиливаются и демодулируются.

Рисунок В2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Конструкции плоских световодов.

Световод – устройство, ограничивающее область распространения оптических колебаний и направляющее поток световой энергии в заданном направлении.

а – плёночного; б – канального

Рисунок 1.1 – Конструкции плоских световодов

Плоские (планарные) световоды подразделяют на плёночные (рисунок 1.1,а) и канальные (рисунок 1.1,б).

Конструкции волоконных световодов.

Световод – это устройство, ограничивающее область распространения оптических колебаний и направляющее поток световой энергии в заданном направлении.

а – однослойного; б – двухслойного; в – трёхслойного

Рисунок 1.2 – Конструкции волоконных световодов

Волоконный световод (ВС) – это направляющая система, выполненная в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, состоящая из сердцевины и оболочки, по которой осуществляется передача световых волн.

Показатель преломления материала сердцевины n₁= √ε₁, а оболочки – n₂= √ε₂, где ε₁ и ε₂ – относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала (μ) и Показатель преломления вакуума (n₀) равны единице.

Типичный волоконный световод - длинная нить диаметром 100…1000 мкм в зависимости от применений, состоит из цилиндрической сердцевины, окружённой одной или несколькими оболочками из материалов с меньшими показателями преломления. Показатель преломления оболочки постоянен, а у сердцевины является функцией поперечной координаты (например, радиуса в случае круглого световода). Эта функция - профиль показателя преломления (ППП).

Типы волокна.

Оптическое волокно – это сочетание стеклянного волокна с защитным покрытием, являющимся конструктивным элементом.

Термины «оптическое волокно» и «волоконный световод» - синонимы.

Волокно, в котором распространяется несколько мод, называется многомодовым (ММ), а в котором одна мода - одномодовым (ОМ). В ММ волокне диаметр сердцевины больше длины волны (d_c>>λ), а в ОМ - соизмерим с длиной волны (d_c≈λ). Международный стандарт средств связи установил диаметр оболочки (d_об) волокна равным 125 мкм. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла (SiO₂) с n₂=1,45, а сердцевина – из кварцевого стекла с добавками GeO₂ или P₂O₅. Для промышленно выпускаемых световодов ОМ волокно имеет диаметр сердцевины 7–10мкм, а ММ волокно – 50–65,5мкм.
Три основных типа волокон: ступенчатое ММ, градиентное ММ и ступенчатое ОМ волокно (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Поперечное сечение и ППП ступенчатого многомодового (а), градиентного многомодового (б) и ступенчатого одномодового (в) волокна

Классы волн.

На уровне электромагнитного взаимодействия с молекулами учитывается явление электрической поляризации, пространственные электрические E и магнитные H поля. Они допускают колебания соответствующих векторов () только в определённых плоскостях.
Волноведущую систему можно представить идеальным цилиндром с продольной осью z, а оси x и y образуют поперечную (xy), горизонтальную (xz) и вертикальную (yz) плоскости. В этой системе выделяют 4 класса волн по признаку отсутствия либо наличия продольных составляющих E_z и H_z (рисунок 1.7).

а - поперечная; б – электрическая; в – магнитная; г - гибридная
Рисунок 1.7 – Классы волн

1. Если E_z=0 и H_z≠0 направляемую волну называют поперечной электромагнитной волной или T-волной (T – первая буква transverses – поперечный). В поперечной электромагнитной волне векторы напряжённости электрического и магнитных полей лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. В диэлектрическом волноводе поперечная электромагнитная T-волна распространяться не может.
2. Если E_z≠0 и H_z=0 , то волна электрическая или E-волна. Электрическая волна – волна, вектор напряжённости электрического поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряжённости магнитного поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.
3. Если E_z=0 и H_z≠0 , то волна магнитная или H-волна. Магнитная волна –волна, вектор напряжённости магнитного поля которой имеет поперечную и продольную составляющие, а вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.
4. Если E_z≠0 и H_z≠ 0, то волна гибридная или смешанная, HE- или EH-волна. HE-волна представляет структуру поля, определяемую в основном составляющей H_z, направляемая волна ближе по структуре к H-волне. Если определяющая E_z, то волну обозначают как EH-волна.
   В гибридной волне векторы электрического и магнитного полей имеют отличные от нуля поперечные и продольные составляющие.

Потери на изгибах волокна.

При строительстве и эксплуатации оптических кабельных линий возможно появление эксплуатационных потерь. Всё из-за скрутки, деформации и изгибов волокон, возникающих при наложении покрытий и защитных оболочек при производстве кабеля, а также в процессе его прокладки:

Рисунок 2.4 – Потери на изгибах волокна

Потери на микроизгибах обусловлены преобразованием направляемых мод в моды излучения. Они резко возрастают и становятся недопустимо большими, как только радиус изгиба уменьшается до критического значения, которое для типичных ОВ составляет несколько сантиметров. На рисунке показано, как вариации границы ОВ могут приводить к отражению мод высокого порядка под углами, при которых дальнейшее прохождение света по ОВ становится невозможным. При этом свет покидает волокно.

Структурная схема ПОМ.

Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции предающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) есть специальный держатель, который позволяет закрепить и защитить основные элементы передатчика: источник излучения (ЛД или СИД), узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном.

Иногда требуются дополнительные внутренние устройства для оптимального присоединения волокна. Важным элементом лазерных диодов является цепь тока накачки и узел контроля температуры. Для сложных оптических систем добавляют мониторинг выходного оптического сигнала.

Рисунок 4.15 – Структурная схема ПОМ

Здесь не все элементы являются обязательными.

ПОМ состоит из оптической части и электронной схемы, нужной для модуляции излучаемого света. В оптической головке с СИД размещается диод и модулятор тока накачки, а в оптической головке с ЛД - лазер, модулятор, фотодиод обратной связи и электронная схема, которая стабилизирует режим работы лазера. Необходимый для стабилизации сигнал поступает на вход схемы от фотодиода, регистрирующего интенсивность излучения лазера.

Р-i-n-фотодиод.

p-i-n-фотодиод получил своё название благодаря структуре слоёв полупроводниковых материалов, из которых он образован:

Рисунок 5.6 – Структура продольного сечения p-i-n-фотодиода

где 1 – тонкий слой полупроводника p-типа с концентрацией основных носителей (дырок) N_р на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника; 2 – слой собственного полупроводника i-типа (обеднённый слой); 3 – слой полупроводника n-типа с концентрацией основных носителей (электронов) N_n на несколько порядков выше, чем у собственного полупроводника; 4 – изолирующий слой SiO₂; 5 – отрицательный контакт, обеспечивающий подачу отрицательного потенциала на полупроводниковый слой 1; 6 – просветляющее покрытие, нанесённое на внешнюю поверхность слоя 1, представляет собой тонкую плёнку вещества толщиной λ/4, что уменьшает потери на отражение; 7 – положительный контакт, нанесённый на внешнюю поверхность слоя 3.

Оптическое излучение проникает внутрь ФД через просветляющее покрытие 6 и область 1, где поглощение фотонов практически не происходит, из-за высокой концентрации основных носителей (дырок) в слое 1. Все верхние энергетические уровни валентной зоны лишены электронов, поэтому фотон не может перевести электрон в зону проводимости, не создаёт электронно-дырочную пару.
Из-за существенной разности в концентрациях носителей проводимость слоя 2 оказывается значительно ниже, чем у 1-го и 3-го. Это означает, что напряжение U на контактах 5 и 7 оказывается практически полностью приложенным к границам области 2.
Поглощение фотонов и рождение электронно-дырочных пар происходит именно в слое 2, где фотоны эффективно поглощаются за счёт практически полного заселения электронами верхних энергетических уровней валентной зоны. Это обусловлено малым значением концентрации основных носителей (дырок). Электрическое поле выводит появившиеся носители тока к областям 1 и 3.
Ширина слоя 2 выбирается, исходя из того, что все влетевшие в неё фотоны должны быть поглощены, что обеспечивает максимально возможное значение фототока – для этого ширину слоя необходимо увеличивать, а так же из-за того, что созданные электронно-дырочные пары за возможно более короткий интервал времени должны достигнуть областей 1 и 3, что обеспечивает максимальное быстродействие фотодиода – для этого ширину слоя 2 необходимо уменьшать. Эти два требования альтернативны. При разработке ФД всегда выбирают компромиссный вариант.

5.7 Процесс образования носителей тока в p-i-n фотодиоде и распределение электрического поля в структуре.

Рисунок 5.7 – Процесс образования носителей тока в p-i-n-фотодиоде, возникновение фототока и распределение электрического поля в структуре

Структурная схема волоконно-оптической системы передачи.

Используемая в таких системах несущая частота на несколько порядков выше, чем в системах радиосвязи и радиорелейных линиях.
Электрический сигнал после аппаратуры передачи преобразуется в световой. Затем он передаётся по волоконно-оптическому кабелю (ВОК). Волоконно-оптический кабель –совокупность оптических волокон, имеющая защитное покрытие и предназначенная для передачи оптических сигналов. Ретранслятор ведёт себя как оптический усилитель. Переданный сигнал попадает на фотоприёмник, преобразующий световые импульсы в электрические, которые усиливаются и демодулируются.

Рисунок В2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передачи