Лекція 1. Розвиток волоконно-оптичних систем в світі і на україні. Особливості волоконно-оптичних ліній зв'язку

Основний напрямок у застосуванні волоконно-оптичних систем - це створення й експлуатація волоконних ліній зв'язку. Необхідність розвитку ВОЛЗ була визначена потребою збільшення швидкості й обсягів переданої інформації.

Основні характеристики ліній передачі сигналів наступні:

• широкополосність;

• перешкодозахищеність;

• довжина ретрансляційних ділянок;

• вартість.

З 2000 р. всі лінії зв'язку, що вводяться в експлуатацію, є волоконно-оптичними. При цьому відстань між ретрансляторами приблизно дорівнює 100 км, а швидкість передачі - 1-2 Гбіт у секунду.

Сучасні ВОЛЗ охоплюють 5 континентів: Європу, Азію, Америку, Африку, Австралію. Зв'язок між Європою й Азією здійснюється Транссибірською лінією зв'язку (≈20000 км). Темпи росту світового ринку волоконно-оптичних технологій випереджають ріст інших видів техніки, і становлять 40% у рік. У 1988 р. завершено будівництво підводної магістралі між Європою й США, потім між Європою США й Канадою через Тихий океан. Ці магістралі розраховані на 12000 каналів на довжині хвилі 1,55 мкм.

Перспективними матеріалами для волокон ВОЛЗ є:

• тетрофторид цирконію (λ=2,5 мкм, загасання - 0,01 дБ/км);

• фторид берилія (λ=2,1 мкм, загасання - 0,005 дБ/км).

Такі ВОЛЗ дозволяють одночасно передавати до 20000 телефонних каналів зі швидкістю 565 Мбіт/с. Розрахунки показують, що ВОЛЗ економічніші радіорелейних і супутникових.

Найближчим часом очікується перехід на швидкості передачі- 2,5 Гбіт/с і вище. Ці можливості не є граничними: спектральне ущільнення й когерентний прийом дозволять на кілька порядків збільшити швидкість передачі інформації до 1,5 Тбіт/с або 23 млн. каналів тональної частоти.

Провідна організація в Україні, що впроваджує ВОЛЗ, це «Укртелеком». В 2003 р. на Україні був завершений процес охоплення ВОЛЗ всіх регіонів і обласних центрів.

Розвиток ВОЛЗ в Україні почався в 1995 р. Перші лінії зв'язку з'єднали Ужгород із кордоном Угорщини й Словаччини, а Львів - з Польщею. Довжина лінії становить 175 км.

Перша серйозна ВОЛЗ на Україні з'явилася в 1996 році, коли країна ввійшла в проект ITUR (Італія, Туреччина, Україна, Росія). Лінія прокладена в Середземному й Чорному морях по трасі «Палермо - Стамбул - Одеса - Новоросійськ». Україні належить підводна ділянка цієї лінії по Чорному морю (250 км), що закінчується в Одесі. Організацією прокладання ВОЛЗ в Україні займався «Укртелеком». Продовженням цієї лінії стала ділянка «Одеса - Київ». Далі проклали ділянку «Київ - Чернігів - Білорусь - Європа». Основна комплектація цих систем вироблялася фірмою Ericsson.

На сьогодні в Україні розроблені кільцеві лінії зв'язку, які охоплюють основні регіони України. Умовна назва цих ліній:

• Буковина

• Поділля

• Полісся

• Десна

• Вуглик

• Таврія

• Дністер

• Азов

Усі міські та міжміські лінії зв'язку, котрі прокладаються в теперішній час, будуються на базі ВОЛЗ.

Особливості ВОЛЗ

Фізичні особливості ВОЛЗ:

• широкополосність, що обумовлена високою несучою частотою електромагнітних коливань

[Гц] (1.1)

Завдяки цьому по оптичним лініям зв'язку можна передавати інформацію зі швидкістю біт/сек або одночасно передавати 10000000 телефонних розмов або 1000000 відеосигналів.

• дуже мале, у порівнянні з іншими лініями зв'язку, загасання сигналу у волокні.

Кращі зразки волокна мають загасання 0,22 дБ/км ( мкм). Для цих ВОЛЗ потрібна установка ділянок регенерації через 100-150 км. У США розробляють більш прозорі фтор-цирконієві світловоди. Втрати в них на порядок менше (0,02 дБ/км), при цьому відстань між ретрансляторами може становити 10000 км.

На рис. 1.1. представлені графіки залежності ослаблення сигналу в волоконному світловоді коаксіальних і двопровідникових кабелі різних типах ліній зв'язку від частоти.

Рис 1.1. Графіки залежності ослаблення від частоти

Технічні особливості ВОЛЗ:

• промислово застосовувані в цей час волокна для ВОЛЗ виготовляють із кварцу, він недорогий і широко поширений;

• оптичні волокна мають діаметр до 100 мкм;

• волокна виготовляють із діелектричних матеріалів;

• ВОЛЗ стійкі до електромагнітних перешкод, інформація, передана у ВОЛЗ захищена від несанкціонованого доступу;

• довговічність світловодів (термін роботи до 25 років).

Проблеми ВОЛЗ:

• потрібні високоточні оптичні розєми (конектори) з малими втратами.

• для монтажу ВОЛЗ потрібно высокопрецизійне, дороге устаткування.

Основні елементи ВОЛЗ

Основним елемент ВОЛЗ є волокно (світловод). Головними патентами на волокно для ВОЛЗ володіє американська фірма Corning.

Для передачі сигналів застосовують багатомодові й одномодові волокна. Багатомодові волокна в основному використовуються у волоконно-оптичних датчиках (ВОД) і в освітлювальних системах. На рис. 1.2. схематично показані два типи світловодів.

Рис. 1.2. Типи світловодів:

а) одномодове волокно; б) багатоомодове волокно

Обидва типи світловодів характеризуються:

• загасанням (дБ/км)

• дисперсією

Загасання визначається втратами на поглинання й розсіювання у світловоді, які залежать від довжини хвилі. Спектральна характеристика пропускання кварцових світловодів показана на рис. 1.3.

Рис.1.3. Спектральна залежність пропускання

волоконно-оптичних світловодів

У кварцових світловодів є 3 вікна прозорості:

• 0, 8-0,9 мкм

• 1, 1-1,35 мкм

• 1, 5-1,85 мкм

Дисперсія – параметр світловодів, що характеризує зміну в часі спектральних і модових складових оптичного сигналу. Вона приводить до зменшення й спотворення оптичних імпульсів. На рис. 1.4. показана залежність групової затримки й хроматичної дисперсії кварцових світловодів від довжини хвилі.

Рис. 1.4. Залежність групової затримки й хроматичної

дисперсії від довжини хвилі

Відомо чотири види дисперсії світловодів:

• міжмодова;

• матеріальна;

• волновідна;

• профільна.

Найнебезпечнішою є міжмодова дисперсія, обумовлена тим, що час поширення мод у світловоді різний. У зв'язку із цим багатомодові світловоди в довгих ВОЛЗ не застосовуються.

Матеріальна дисперсія обумовлена залежністю показника переломлення світловода від довжини хвилі.

Волновідная дисперсія обумовлена процесами усередині однієї моди й характеризуються залежністю швидкості поширення моди від довжини хвилі.

Профільна дисперсія залежить від профіля показника заломлення.

В одномодових кварцових світловодах на довжині хвилі 1,3 мкм волновідна й матеріальна дисперсії компенсують одна одну. Тому найбільша пропускна здатність кварцових світоводів спостерігається на цій довжині хвилі.

Важливим елементом ВОЛЗ є волоконно-оптичний кабель.

Розрізняють кабелі:

• монтажні;

• станційні (усередині будинків);

• магістральні;

• зонові.

Перші два типи кабелів застосовуються для прокладки усередині будинків і споруджень. Кабелі останніх двох типів призначені для прокладки кабельних комунікацій у колодязях, ґрунті, на опорах ЛЕП, під водою. Кабелі можуть включати від 8 до 144 волоконних елементів.

Основні фірми виробники кабелів:

• Genegal Cable Company (США);

• Siеcor (ФРН);

• Sumimoto (Японія);

• Nokia (Фінляндія);

• Pirelli (Італія).

ЛЕКЦІЯ 2. ГЕОМЕТРИЧНА ОПТИКА ВОЛОКНА

Світловод являє собою два діелектричні середовища - осердя і оболонку. Електромагнітні коливання поширюються по осердю завдяки явищу повного внутрішнього відбиття (ПВВ).

Умови проходження променя через межу розподілу двох середовищ описуються законом Снеліуса. На рис 2.1. показане проходження променя через межу розподілу двох середовищ.

а) б)

Рис.2.1. Проходження променя через границю розділу двох середовищ:

а) з менш щільної в більш щільну ( );

б) з більш щільної в менш щільну ( )

Відповідно до закона Снелліуса виконується наступна умова:

(2.1)

і – показники заломлення осердя й оболонки світловода відповідно;

і – кути падіння й заломлення променя відповідно.

Якщо , те при наступає явище ПВВ. Тоді , а

- критичний кут ПВВ. Явище ПВВ спостерігається за умови, якщо .

Наведені співвідношення відповідають поняттям геометричної оптики. Виходячи з міркування фізичної оптики при розгляді явища ПВВ, можна дійти висновку, що при критичних кутах падіння променів на межу розподілу двох середовищ повного (100%) відбиття не відбувається. Це можна підтвердити, скориставшись формулами Френеля.

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

і – показники заломлення осердя й покриття світловода;

і – коефіцієнти відбиття для площин поляризації паралельної й перпендикулярної площини падіння променя;

– середнє значення коефіцієнта відбиття для неполяризованого світла.

Залежність коефіцієнта відбиття від кута падіння, розрахована відповідно до формул (2.2 - 2.6), представлена на рис. 2.2.

Рис 2.2. Графік залежності коефіцієнта відбиття від кута падіння

1. k =0; 2- k=0,001; 3- k=0,01; 4-k=0,1

Коефіцієнт відбиття на межі розділу двох середовищ залежить також від коефіцієнта просторового загасання хвилі, що визначається наступним співвідношенням:

(2.7)

– натуральний показник поглинання середовища.

На підставі явища ПВВ можна розрахувати числову апертуру (NA) світловода. Для цього скористаємося рис.2.3.

Рис. 2.3. До розрахунку числової апертури світловода

Числова апертура в загальному випадку визначається відповідно до співвідношення:

(2.8)

З урахуванням рисунка 2.3, запишемо:

(2.9)

Остаточно:

(2.10)

Співвідношення (2.10) є наближеним і дозволяє визначити числову апертуру світловода тільки з урахуванням меридіональних променів (таких, що перетинають вісь світловода). На рис. 2.4. представлений графік залежності числової апертури світловода від відношення показників заломлення покриття й осердя і різних значень n_с.

Рис. 2.4. Графік залежності числової апертури від відношення

показників заломлення покриття й осердя

З урахуванням косих променів значення числової апертури може бути визначене з наступного співвідношення:

(2.11)

, (2.12)

– числова апертура з урахуванням косих променів; – числова апертура з урахуванням меридіональних променів; - кут між площиною розповсюдження променя і напрямком на вісь світловода (рис.2.5,б).

На рис. 2.5,а показаний хід косих променів у циліндричному світловоді.

Рис. 2.5. Хід косих променів у циліндричному світловоді.

На рис. 2.6 наведений графік залежності числової апертури від показника заломлення ( ) з урахуванням меридіональних і косих променів.

Рис. 2.6. Графік залежності числової апертури від показника заломлення з урахуванням меридіональних і косих променів

На рис. 2.7. наведений графік залежності співвідношення від різних значень показника заломлення осердя ( ) і покриття ( ).

Рис. 2.7. Графік залежності співвідношення від показників заломлення осердя й покриття світловода.

До основних геометричних характеристик світловода також відносяться:

• довжина шляху променя, що падає під кутом до осі волокна:

(2.13)

– геометрична довжина світловода.

• кількість відбиттів у світловоді:

(2.14)

– діаметр серцевини світловода.

На рис. 2.8. показаний графік залежності довжини шляху променів і кількості відбиттів від кута падіння променів.

Рис. 2.8. Графік залежності P та від кута падіння променів

• відносна зміна профілю показника заломлення:

(2.15)

• нормована частота , що визначає тип світловода:

  • одномодовий – ;

  • багатомодовий – ;

  • нестійка межа - .

При нестійкій границі тип світловода визначається довжиною хвилі випромінювання :

(2.16)

• критична частота світловода визначає граничну частоту електромагнітного випромінювання, що відповідає можливості поширення у світловоде однієї або більше мод:

(2.17)

• довжина хвилі зрізу визначає граничну довжину хвилі випромінювання, що відповідає одномодовому або багатомодовому режиму роботи:

(2.18)