Типовая схема системы волоконно-оптической связи, основные компоненты ВОЛС

По существу ВОЛС состоит из модулей и узлов, которые присутствуют в любой рaдиотехнической системе передачи информации. Ряд особенностей оптического диапазона и используемой в нем элементной базы накладывает свои ограничения на конструкцию отдельных узлов системы или приводит к техническим решениям, отличным от традиционных. Существуют аналоговые и цифровые волоконно-оптические системы связи. Из-за значительной сложности обеспечения требуемых качественных показателей оптического тракта аналоговые системы не получили широкого распространения и большинство современных ВОЛС предназначены для передачи цифровых сигналов.

Типовая схема системы связи, использующей ВОЛС, показана на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 − Типовая схема системы связи с использованием ВОЛС «точка-точка»

Аналоговый сигнал, генерируемый оконечным оборудованием данных (ООД), например, телефоном, терминалом, видеокамерой и т.д, приходит на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь − кодер (Код) оцифровывает его в цифровой поток. Цифровой поток используется для модуляции оптического передатчика (ОПрд), который передает серию оптических импульсов в оптическое волокно − волоконно-оптический кабель (ВОК). На приемной стороне импульсы света преобразуются обратно в цифровой поток при помощи оптического приемника (ОПрм). Декодерная часть коммуникационной системы (Дек) преобразует бинарный электрический лоток в аналоговый сигнал ООД. Для организации двунаправленного канала связи кодеры и декодеры, a также оптические приемники и передатчики совмещаются в одном устройстве.

Оптический передатчик (ОПрд) обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового) сигнала в выходной световой (цифровой или аналоговый) сигнал. Для этой цели используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды ILD. Эти устройства способны поддерживать модуляцию излучаемого света c мегагерцовыми и даже гигагерцовыми частотами.

Основными параметрами оптического передатчика являются: длина волны излучения λ, мкм (микрометров); ширина полосы оптического излучения (для светодиода Δλ = (30...50) нм, для лазерного диода Δλ =(0,1...3) нм); достигаемая выходная мощность излучения Р_{изл ,}Вт; быстродействие; срок службы (время наработки на отказ); стоимость.

Оптический приемник (ОПрм) осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. B качестве основного элемента оптического приемника используются p-i-n и лавинные фотодиоды. Основными параметрами оптического приемника являются: чувствительность, Вт (минимальная мощность входного сигнала); эквивалентная мощность шума, Вт; время наработки на отказ.

Если приемная и передающая станции удалены друг от друга на значительное расстояние (несколько сот километров), то может потребоваться одно или несколько промежуточных регенерационных устройств для усиления ослабевающего в процессе распространения оптического сигнала, а также для восстановления фронтов импульсов. B качестве таких устройств используются повторители и оптические усилители.

Повторитель (Повт) состоит из оптического приемника, электрического усилителя и оптического передатчика. При передаче дискретного сигнала электрическое усиление также может сопровождаться восстановлением фронтов и длительностей передаваемых импульсов. Повторитель, который восстанавливает форму оптического сигнала до первоначальной, называется регенератором.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. Усилитель не наделен функцией восстановления скважности, но качество сигналов, передаваемых по оптическому волокну, остается очень высоким вследствие малых дисперсии и затухания. Поэтому ретрансляция передаваемых данных простым усилением без полной регенерации становится весьма эффективной. Оптический усилитель является более универсальным устройством, поскольку в отличие от регенератора, он не привязан к стандарту передающегося сигнала или определенной частоте модуляции.

Волоконно-оптический кабель (ВОК). В качестве направляющей системы в оптических кабелях используют диэлектрические волноводы или оптические волокна, называемые так из-за малых поперечных размеров. Диэлектрические волноводы оптического диапазона называют также счетоводами. Связь обычно происходит по двум световодам, каждый из которых обеспечивает передачу информации в одном направлении. B принципе, обмен информацией может производиться по одному волокну в двух направлениях в случае применения направленного оптического ответвителя. Такое решение не находит широкого применения на практике из-за существенных потерь энергии в таких элементах и связанного c этим значительного сокращения дальности связи.

Типы световодов

Простейший световод представляет собой круглый диэлектрический стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины n1 = √ε₁ , а оболочки n1 = √ε₂, где ε₁ и ε₂ − относительная диэлектрическая проницаемость. Показатель преломления оболочки обычно постоянен, a сердцевины (в общем случае) является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Если сердцевина световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световоды со ступенчатым профилем показателя преломления (рис. 4.2, a) (есть ступенька n на границе сердцевина-оболочка).

Если показатель преломления от центра к краю изменяется не ступенчато, a плавно, то такие световоды называются световодами c градиентным профилем показателя преломления, или градиентными световодами (рис. 4.2, б).

Рисунок 4.2 − Ход лучей в ступенчатом (а), градиентном (б) и одномодовом (в) оптической волокне

Наибольшее распространение получили градиентные световоды c параболическим профилем показателя преломления:

где n1 − показатель преломления в центре сердцевины (≈1.5);

r − текущий радиус;

d − диаметр сердцевины;

∆ − относительная разность показателей преломления.

Выбор соотношения между показателями преломления определяется в зависимости от назначения и области применения волокна. Кроме того, ступенчатые ОВ могут иметь несколько отражающих оболочек (волокно W-типа), c сердцевиной из материала c показателем преломления n1, окруженной двумя оболочками, первая из которых имеет показатель преломления n2, a вторая-n3, причем n1>n 2>n3.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред. Лучи распространяются в оптически более плотной среде, окружённой менее плотной, поэтому необходимо n1>n2. В зависимости от угла Θ_КР, который образуют c осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торса световода (рис. 4.3), имеют место волны излучения, волны оболочки (вытекающие лучи) и сердцевины (направляемые лучи).

Рисунок 4.3 − Распространение излучения по оптическому волокну

Если угол падения меньше некоторого критического угла, который определяется соотношением

то луч полностью отражается на границе сердцевина − оболочка и остается внутри сердцевины (луч 3). Этот угол соответствует углу полного внутреннего отражения φ_п.

Ход лучей в градиентном световоде показан на рисунке 4.2, б. Как видно из рисунка, лучи изгибаются в направлении градиента показателя преломления (вместо преломления или полного отражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем). Таким образом, градиентные волокна ведут себя подобно средам c распределенным линзовым эффектом, в которых световой пучок в процессе распространения подвергается непрерывной подфокусировке. Это позволяет уменьшить искажения сигналов, передаваемых по оптическим световодам. C точки зрения геометрической оптики в ступенчатом световоде лучи, вошедшие в сердцевину под разными углами Θ (различные частотные составляющие), проходят разные пути, например лучи 1 и 2 на рисунке 4.2, a.

B градиентном световоде лучи l и 2 (рис. 4.2, б), вошедшие в сердцевину под разными углами, движутся также по различным траекториям, но луч 1 проходит в области c меньшим показателем преломления n и, соответственно, обладает большей скоростью, a луч 2 проходит в области c большим п и обладает меньшей скоростью распространения, поэтому к оси волокна они возвращаются одновременно. Изменяя профиль показателя преломления сердцевины, можно получать требуемые характеристики градиентного волокна.

Режим полного внутреннего отражения зависит от диаграммы направленности источника излучения. Величину Θ_КР называют апертурным углом.

Апертурой называется максимальный угол между оптической осью и световым лучом, падающим на торец многомодового волоконного светoвода, при этом выполняются условия полного внутреннего отражения в сердцевине (луч 3 на рис. 4.3). Величина апертурного угла зависит от абсолютного значения показателя преломления сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки, то есть апертура и предельный угол полного внутреннего отражения имеют определенную функциональную взаимосвязь. Таким образом, световод пропускает лишь лучи, заключенные в конусе c углом Θ_КР, соответствующим φ_п − углу полного внутреннего отражения. Физически апертура характеризует способность световода принимать световую энергию.

Наряду c понятием апертура принято использовать также понятие числовая апертура (от англ. Numerical Aperture):

где n_о − показатель преломления наружной среды (равен 1, если торец световода граничит c воздухом).

От значения числовой апертуры зависит эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери в микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

Как видно из рисунка 4.3, между предельным углом полного внутреннего отражения φ_п и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше угол φ_п тем меньше апертурный угол волокна Θ_КР.

Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного угла волокна Θ_КР. До тех пор, пока угол падения луча меньше, чем Θ_КР, луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина − оболочка и передача будет проходить эффективно.

Равенство числовых апертур является одним из необходимых условий достижения малых потерь в разъемных и неразъемных соединителях волоконных световодов.

Следует иметь в виду, что из всей совокупности световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей c дискретными углами может образовывать направляемые волны, которые также называют волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы сердцевина - оболочка волна должна быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что они гасят друг друга и исчезают.

Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями (имеет свою критическую частоту и длину волны).

B зависимости от условий распространения световой волны в сердцевине и числа распространяющихся мод оптические волокна делятся на две группы: одномодовые (SMF − Single Моде Fiber, (рис. 4.2, в)) и многомодовые (MMF − Mufti Моде Fiber).

Многомодовые оптические волокна бывают ступенчатыми и градиентными, a одномодовые оптические волокна могут иметь ступенчатый (стандартное ООВ), W-образный и треугольный (специальные) профили показателя преломления (рис. 4.4, 4.9).

Рисунок 4.4 − Типы световодов

Число мод в световоде связано c числовой апертурой следующими простыми соотношениями:

где а – радиус сердцевины волокна,

λ – длина волны.