Предаване на данни с оптични влакна.

Основни блок-схеми.

Оптични влакна-видове, моди.

Дисперсия и загуби в оптичните влакна, видове

С въвеждането на оптични линии като преносни системи за информация в компютрите настъпва коренна промяна. Те имат някои съществени предимства, а именно:

1)Предаването на данни е възможно да се извършва на големи разстояния без да е необходимо усилване и ретранслация на сигналите (отнася се за едномодовите оптични влакна);

2)става възможно пренасянето на голяма по обем информация от всяко оптично влакно;

3)информационните канали на такива системи са предпазени от електрически смущения, тъй като материалите от които са направени са диелектрици. Това дава възможност да се използват за пренасяне на информация до обекти при които са налице силни електромагнитни смущения;

5)тъй като е невъзможна външна нежелателна интервенция, те са по-сигурни относно подслушване и нежелателна информационна интервенция;

6)полагането на оптичните кабели като информационни канали и материалите от които са направени са много по-евтини от медните.

Тези системи намират приложение в следните области: кабелна ТВ, електронноизчислителна техника, обекти с мощни електромагнитни полета, телефонните съобщения и др.

Комуникационната система за предаване с оптични влакна се състои от две основни части, в зависимост от това какъв е вида на сигнала носител на информация. Едната част се формира от устройствата, в които сигнала е електрически. Втората част се формира от устройствата в които сигнала е светлинен.

Блок схемата на фигурата по-долу дава представа за тези устройства, които формират двете съставни части на такава система. Устройствата в които сигналите са електрически са с плътна линия, а тези в които сигналите са светлинни са защриховани.

(1)-електрически вход;

(2)-сигнала е под формата на светлина;

(3)-оптичен съединител, който свързва излъчвателя с оптичния информационен канал чрез съединително устройство;

(4)-устройства, които извършват наставянето на кабелите;

(5)-към други потребители;

(6)-оптичен съединител или разклонител на светлинния лъч-това е устройство което позволява комплексния светлинен сигнал от предавателя да бъде разпределен към различни потребители;

(7)-оптичен усилвател;

(8)-усилвател;

(9)-електрически изход.

При преминаването на оптичния сигнал по оптичното влакно в резултат на загуби и явлението дисперсия, той се деформира, поради което е необходимо да бъде възстановен този сигнал. За тази цел към оптичната система се използва блок, който възстановява сигнала и се нарича ретранслатор (повторител). Той се състои от следните части:

1)оптичен приемник-приема оптичния сигнал и го преобразува в електрически. На изхода му излиза ел.сигнал;

2)електронни устройства-възстановява електрическия сигнал. На неговия изход е възстановения ел.сигнал, който се предава на оптичния предавател.

Оптичния усилвател повишава нивото на светлинния сигнал. Във фотодетектора светлинния сигнал се преобразува в електрически. Изхода е електрически. Подава се сигнала на усилвателя като електрически сигнал.

Предаването е от А към В. Същите устройства се използват и при предаване на сигнал от В към А(двустранно предаване). Такъв тип комуникационна система се нарича дуплекс система.

Оптични влакна.

Ядрото и обвивката на влакното са от материала който пренася светлината, със коефициенти на пречупване съответно n₁ и n₂. От горе има още една обвивка-изолация, тя е пластмасова. Ядрото и обвивката са от различни материали. От вида на материала се различават три вида оптични влакна:

а) стъкло(ядро) – стъкло(обвивка) – има най-широка честотна лента и най-малко затихване. Когато в стъклото е легиран Германий или фосфор коефициента на пречупване нараства. Ако е легиран Бор и Флуор – коефициента на пречупване намалява. С този вид оптично влакно се покриват най-големи разстояния;

б) стъкло – пластмаса – при този вид имаме средна широчина на честотната лента и затихването е приемливо;

в) пластмаса – пластмаса – то е най-евтино и има най-тясна честотна лента и най-голямо затихване.

В зависимост от броя на модите оптичните влакна са:

-Многомодови-със стъпални изменение на коефициента на пречупване n₁ и n₂. Дисперсията е 30n S/км;

-Многомодови – със градиентно изменение на коефициента на пречупване n₁ и n₂. Дисперсията е 10n S/км. Прилага се при по-къси разстояния;

-Едномодови –тук дисперсията липсва. Прилага се при по-големи разстояния.

По отношение на дължината на вълната (λ):

а) І-ви прозорец 0,85 μm;б) ІІ-ри прозорец 1,3 μm;в) ІІІ-ти прозорец 1,6 μm.

Параметри на оптичните влакна:

-дисперсия; широчина на честотната лента; затихване; разсейване на светлината; загуби от огъване; числова апертура NA.

Разпространение на светлинните лъчи в оптичните влакна.

Q₁ има такава стойност, че Q₂ става равен на 90⁰, т.е. Q₂=90⁰=Qкр, въз основа на който се получава пълно вътрешно отражение т.е. лъча 1 остава в сърцевината. Всички лъчи които попадат на разделителната повърхнина А с ъгли по-малки от Q₁ остават в сърцевината тъй като за тях се получава пълно вътрешно отражение. Тези лъчи се наричат насочени лъчи. Лъчът 2 попада под такъв ъгъл при който не получава пълно вътрешно отражение. Всички лъчи които попадат в сърцевината под ъгли по-големи от Q₁ се наричат изтичащи лъчи. Изтичащите лъчи всъщност представляват загубите от генерираните от излъчвателя и вкарани във влакното, което изтича от него без да се явява носител на полезна информация.

αкр=90⁰-Qкр; sinαкр=cosQкр=n₂/n₁, тъй като n₁.cosQкр=n₂.cosQ₂, Q₂=0⁰

кр-критичен ъгъл, кр-критичен ъгъл.

Мода представлява всеки лъч от вкараната в сърцевината светлина. Мода представлява всяка една светлинна вълна. Ако светлинния сигнал има съвкупност от вълни, модите са много. Колкото спектъра е по-тесен толкова модите са по-малко на брой. Модите биват:

-моди от по-висок ред;

-моди от нисък ред.

Модите от висок ред са лъчи които влизат в сърцевината под ъгъл близък до критичния ъгъл. При тях част от светлинната енергия отива в обвивката (това са загуби). Модите от нисък ред влизат в сърцевината под много малък ъгъл, който сключват към нормалата с разделителната повърхнина.

Зависимостта на коефициента на пречупване на едно оптично влакно от радиуса му се нарича профил на влакното. В практиката се използват оптични влакна със стъпален, w-профил, триъгълен профил.

Многомодови оптични влакна със стъпален профил-от самото им наименование става ясно че през тях се разпространяват много моди, като броят им се определя от следната формула: М=V²/2, където V е нормирана честота (вълнова честота). Нормираната честота е важен параметър, който може да се изчисли чрез следните формули: V= 2πρ/λ*NА.

При многомодовите оптични влакна числената апертура е голяма, т.е. те имат голям диаметър на сърцевината.

Тъй като тук броят на модите е голям то при този тип влакна междумодовата дисперсия е голяма поради което такъв тип влакна се използват при реализирането на оптични мрежи за къси разстояния. Използването на такъв тип влакна за пренос на дълги разстояния изисква използването на повторители за възстановяване на сигнала. Този вид многомодови оптични влакна имат по-лека технология на производство, по-евтини са и намират много голямо приложение в изчислителната техника за мрежи в комуникации на къси разстояния.

Многомодови оптични влакна с градиентен профил-при тях зависимостта на коефициента на пречупване от радиуса на сърцевината, е градиентна.

n(r)=n₁√(1-2*[r/ρ]²*Δ); n₁(a)=n₁√(1-2Δ), n=ρ-радиус на влакното; M=V²/4-броя на модите. При тези влакна броят на модите е два пъти по-малък от броят на модите в многомодовите оптични влакна със стъпален профил. Дисперсията при влакната с градиентен профил е много по-малка в сравнение с тези със стъпален профил, което е положително качество. Размерите са същите както при многомодовите влакна, а от технологична гледна точка създаването на градиентен профил е много по-трудно в сравнение със стъпалния профил.

Едномодови оптични влакна със стъпален профил при тях поради това че размерите на сърцевината им са много малки, профила се прави стъпален. V=(2π/λ)n₁ρ√2Δ, V≤2,4-за едномодов режим.

Едномодовите оптични влакна са най-добрият информационен канал за пренасяне на данни с носител светлинен сигнал, тъй като броят на модите тук много малък, междумодовата дисперсия е малка по стойност, което позволява при ниска стойност на веществената(хроматичната) дисперсия да се реализира пренос към информационен канал за пренос на данни на огромни разстояния, при което ретранслатора за възстановяване на сигнала, се използва на по-големи разстояния. Едномодовите оптични влакна са по-скъпи поради размерите и прецизността на изпълнението.

Загубите и дисперсията са основните характеристики на дадено оптично влакно, които оказват влияние в пропускателната възможност и способност на информационния канал, който е реализиран с това влакно. Загуби: за едно оптично влакно с дължина l и нека Рвходно=Рвх. е вкараната в началото оптична мощности и Ризход=Ризх.е тази мощност, която излиза от него и подлежи на фотодетекция. Тогава най-общо тоталните загуби L ще се дефинират като отношение на изходящата към входящата мощност във физически единици, обикновено обаче загубите се изразяват чрез децибели: L=Ризх./Рвх.; LdB=10.log(Ризх./Рвх.) [dB/km]. Загубите по своя физикален характер биват:

-материални загуби-те се дължат на абсорбцията на материала, което включва абсорбция причинена от взаимодействието на светлината с молекулярната структура на материала, а също така и от наличието на евентуално на примеси. Най-съществено влияние относно тях оказват наличието на хидроксилни групи ОН, като при реализацията на едно влакно целта е те да се довеждат до минимум. Тези загуби се свеждат до 0,1 dB/km и по-малко.

а, b, с- три минимума-прозорци на дадено оптично влакно и се характеризира с най-малки загуби.

Загуби от разсейва-разсейването способства за тези загуби и се дължи на няколко фактора: първо наличието на определена нехомогенност на материала, от който е направено оптичното влакно, към която нехомогенност е силно чувствителна дължината на вълната. В оптиката тези загуби се наричат релееви загуби. Разсейване може да се получи и ако при технологичното производство на влакното са получени някакви микрошупли.

Вълноводни загуби и загуби от микроогъвания-вълноводните загуби се дължат на макроогъвания на оптичното влакно, при което става преобразуване на насочени вълни в изтичащи моди, т.е. огъването на влакното прави така че е невъзможно лъча или тази мода да претърпи пълно вътрешно отражение и да остане във влакното, то изтича. Загубите от микроогъвания са дефекти след производството. В резултат на тях се получава същия ефект както при вълноводните загуби, като тук има връщане назад в обратна посока на част от светлината. Към този тип загуби спадат и загубите при снаждания на отделни части на влакното-не съосие, изместване на осите. Вълноводните загуби се получават и при монтажа на оптичната линия.

Като термин дисперсията се използва за описване на ефекта за разширение при разпространение на светлинните импулси в оптичното влакно. Дисперсията е време, тя е важна характеристика. Ако на входа на оптичното влакно се подаде импулс със широчина 0 и на изхода се получи този импулс със широчина t2, то дисперсията за дължина L на влакното е t2 при условие че t1=0. Обикновено обаче t1 има някаква крайна стойност, тогава Δt дисперсията се дава с формулата: Δt=√(t22-t12). Дисперсията бива два вида:

-междумодова дисперсия-ако в едно оптично влакно се вкарва светлинен лъч, който е съставен от много моди, тогава взимаме два гранични случая-нулева мода-съвпада с оста на влакното и критична мода-това е крайната за която е възможно пълно вътрешно отражение.

-веществена (хроматична) дисперсия-тя се дължи на факта че в светлинния сигнал имаме спектър, който се състои от различни дължини на вълните, които имат различна скорост на разпространение в оптичното влакно. Това води до нееднакво време за преминаване на разстоянието L от различните светлинни честоти на сигнала.