Урядов В.Н. Компоненты волоконно-оптических систем передачи. Конспект лекций
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство Образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Белорусский государственный
университет информатики и радиоэлектроники»
Кафедра «Системы телекоммуникаций»
Урядов В.Н.
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
«КОМПОНЕНТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ»
Для студентов специальностей
I-45 01 01 Многоканальные системы телекоммуникаций
Минск, 2006
Содержание:
Содержание:......................................................................................................................... 2
1. Оптическое волокно........................................................................................................ 4
1.1 Прохождение светового излучения через границу раздела сред .......................... 4
1.2 Распространение световых лучей в оптических волокнах..................................... 5
1.3 Основы лучевой теории распространения света в ОВ ........................................... 5
1.4 Апертура оптического волокна................................................................................. 7
1.5 Затухание в волоконных световодах. ....................................................................... 8
1.6 Дисперсия оптического волокна............................................................................... 8
1.7 Характеристики волокон ......................................................................................... 13
1.8 Кабели из оптических волокон ............................................................................... 14
2. ОПТИЧЕСКИЕ РАЗЪЕМЫ, СРОСТКИ И ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА ................................................................................................................... 18
2.1. Введение................................................................................................................... 18
2.2. Основные определения ........................................................................................... 19
2.3. Определение функциональных параметров ......................................................... 20
2.4. Оптические разъемы и неразъемное соединение (сращивание) волокон ......... 25
2.5. Волоконно-оптические элементы ветвления потока, или разветвители........... 35
2.6. Оптические аттенюаторы ....................................................................................... 42
2.7. Изоляторы ................................................................................................................ 43
2.8. Волоконно-оптические фильтры ........................................................................... 44
2.9. Оптические кроссы, коммутационные панели и оптические коммутаторы..... 45
3. Полупроводниковые лазеры......................................................................................... 47
3.1. Гомоструктурный переход и полупроводниковые лазеры ................................. 47
3.2. Лазеры на двойной гетероетруктуре ..................................................................... 48
3.3. Порог генерации и КПД полупроводникового лазера ........................................ 50
3.4. Лазеры с селекцией поперечных мод и с полосковой геометрией .................... 53
3.5. Статические характеристики полупроводниковых лазеров ............................... 57
3.6. Характеристики прямой модуляции...................................................................... 62
3.7. Динамический одномодовый лазер ....................................................................... 66
4. Светоизлучающие диоды для оптической передачи................................................. 68
4.1. Конструкция............................................................................................................. 68
4.2. Характеристика мощности оптического излучения ............................................ 70
4.3. Эффективность связи с волоконным световодом ................................................ 71
4.4. Ширина спектральной полосы............................................................................... 73
4.5. Модуляционная характеристика............................................................................ 73
5. Фотоприемники ............................................................................................................. 77
5.1. Лавинный и pin-фотодиоды.................................................................................... 77
5.2. Характеристика спектральной чувствительности................................................ 80
5.3. Быстродействие ....................................................................................................... 81
5.4. Темновой ток и шум лавинного умножения ........................................................ 82
6. Внешняя модуляция и модуляторы............................................................................. 85
6.1. Электрооптический эффект.................................................................................... 86
6.2. Фазовая модуляция.................................................................................................. 89
6.3. Модуляция по амплитуде и интенсивности ......................................................... 91
6.4. Параметры, полоса и мощность модуляции......................................................... 93
6.5. Интегральные электрооптические модуляторы ................................................... 95
6.6. Электроабсорбционные модуляторы .................................................................... 97
7. Оптические мультиплексоры и демультиплексоры систем WDM .......................... 99
Введение .......................................................................................................................... 99
7.1. Технологии демультиплексирования .................................................................. 100
7.2. Технологии демультиплексирования систем WDM и DWDM......................... 101
7.3.Технология самофокусировки с вогнутым зеркалом и плоской решеткой ..... 104
Явное преимущество этого решения - планарность схем MZI и простота его
реализации в виде ОИС. ................................................................................................. 106
7.4. Принцип работы мультиплексора AWG............................................................. 107
7.5. Сравнение технологий оптического мультиплексирования............................. 109
1. Оптическое волокно
1.1 Прохождение светового излучения через границу раздела сред
В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, которые
претерпевают изменения на границах раздела сред с разными оптическими
свойствами, характеризующимися показателем преломления п = c/v, который в
общем случае показывает, во сколько раз скорость с распространения света в
вакууме больше скорости v распространения света в рассматриваемой среде.
Как известно, среда, у которой показатель преломления больше, называется
оптически более плотной, в противном случае — менее плотной, поэтому при
падении луча света (световой волны) на границу раздела таких сред в общем случае
появляются отраженная и преломленная волны (рис. 1.1а), причем в соответствии с
законом Снеллиуса углы
Рис. 1.1а. Отражение и преломление Рис. 1.1б. Полное внутреннее отражение
светового луча на границе двух сред светового луча на границе двух сред
падения , отражения и преломления связаны следующими
n
ф
отр
ф
пр
ф
соотношениями:
отрп
фф = и (1.1) ,sinsin
21 прп
фnфn =
причем если луч переходит из оптически более плотной среды в менее плотную
21
nn > , то . Путем увеличения угла падения можно достичь состояния, при
ппр
фф >
котором преломленный луч будет скользить по границе раздела сред, не переходя в
другую среду (рис. 1.16). Угол падения, при котором имеет место данный эффект,
называется критическим углом полного внутреннего отражения. Очевидно, что ф
для всех углов падения, больших критического ( ), будут иметь место только
крп
фф >
отражения, а преломления будут отсутствовать. Это явление называется полным
внутренним отражением, и, поскольку вся мощность светового луча практически
полностью возвращается в область более плотной среды, на этом эффекте основан
принцип передачи оптического излучения по ОВ.
1.2 Распространение световых лучей в оптических волокнах
В общем случае оптическое волокно (рис. 1.2) состоит из сердцевины, по кото-
рой происходит распространение световых волн, и оболочки, предназначенной, с
одной стороны, для создания лучших условий отражения на границе раздела "серд-
цевина — оболочка", а с другой — для снижения излучения энергии в окружающее
пространство. С целью повышения прочности и тем самым надежности волокна
поверх оболочки, как правило, накладывается первичное защитное упрочняющее
покрытие. Такая конструкция ОВ является типовой и используется во многих ОВ в
качестве базовой.
Рис. 1.2. Общий вид типового ОВ: 1-сердцевина 2-оболочка 3-силиконовое
покрытие 4-буферная оболочка 5-упрачняющая оболочка 6-внешняя оболочка
1.3 Основы лучевой теории распространения света в ОВ
Как было отмечено выше, лучи света распространяются в ОВ при выполнении
условий , в связи с чем для характеристики волокна используется
21
nn >
соотношение, которое принято характеризовать относительной разностью
показателей преломления и, и которое для большинства ОВ равно
2
1
2
2
2
1
2/)( nnn −=Δ
32
10...10
−−
=Δ . При этом если показатель преломления оболочки имеет постоянное
значение, то показатель преломления сердцевины может быть либо постоянным,
либо изменяться вдоль радиуса по определенному закону. Характер изменения
показателя преломления ОВ вдоль радиуса называется профилем показателя
преломления. Так, для произвольного степенного изменения профиля показателя
преломления закон изменения n(r) по радиусу определяется выражением
Процесс распространения световых лучей в оптически более плотной среде,
окруженной менее плотной, в рамках геометрической оптики, показан на рис. 1.3.
При попадании светового излучения на торец ОВ в нем могут распространяться три
типа световых лучей, которые подразделяются на направляемые, вытекающие и
излучаемые лучи, причем наличие и пре обладание какого-либо типа лучей
определяется углом их падения на границу раздела "сердцевина — оболочка".
Рис. 1.3. Распространение излучения по ступенчатому и градиентному
многомодовым и одномодовому ОВ
Очевидно, что при некотором угле падения лучей на торец волокна, угле ввода
в
θ
оптического излучения в ОВ и их дальнейшем попадании на границу раздела на
ней может иметь место полное внутреннее отражение. Те лучи, которые падают на
границу раздела под углом
кр
θ
θ
≥ (лучи 1, 2 и 3), отражаются от нее и вновь воз-
вращаются в сердцевину волокна, распространяясь в ней и не претерпевая
преломления. Так как траектории таких лучей полностью расположены внутри
среды распространения — сердцевины волокна, они распространяются на большие
расстояния и называются направляемыми, являясь основным типом лучей в
сердцевине ОВ.
Лучи, падающие на границу раздела под углами
кр
θ
θ
< (лучи 4), носят
название вытекающих лучей (лучей оболочки). Достигая границы "сердцевина -
оболочка", эти лучи отражаются и преломляются, теряя каждый раз в оболочке
волокна часть энергии, в связи с чем исчезают вовсе на некотором расстоянии от
торца волокна. Те же лучи, которые излучаются из оболочки в окружающее
пространство (лучи 5), носят название излучаемых лучей. Они, естественно, не
распространяются вдоль ОВ, а, как правило, возникают в местах нерегулярностей
волокна. Очевидно, что излучаемые и вытекающие волны — это паразитные волны,
приводящие к рассеиванию энергии и искажению информационного сигнала.
1.4 Апертура оптического волокна
Как следует из вышеизложенного, существует бесконечное множество лучей,
которые, будучи введенными в ОВ под углом
Aв
θ
θ
≤
, в дальнейшем, при
распространении по волокну, имеют
крn
θ
θ
≥
. Следовательно, для обеспечения
условия полного внутреннего отражения при распространении световых лучей
необходимо обеспечить ввод излучения в торец ОВ под углом, меньшим или
равным
A
θ
.
Угол
A
θ
между оптической осью и одной из образующих светового конуса —
лучей, падающих в торец ОВ (рис. 1.3), для которых в дальнейшем выполняется
условие полного внутреннего отражения, носит название апертура ОВ. Физически
апертура характеризует эффективность ввода оптического излучения в ОВ, а для ее
числовой оценки используется понятие номинальной числовой апертуры (Numerical
Aperture), значение которой для ступенчатого оптического волокна определяется
выражением
A
nNA
θ
sin
0
⋅
=
, (1.5)
где п
о
— показатель преломления окружающей среды, равный для воздуха п
о
=1.
В соответствии с законом Снеллиуса можно записать
),2/sin(sin
10 крA
nn
θ
π
θ
−
=
(1.6)
и, учитывая, что
),/arcsin(
12
nn
кр
=
θ
(1.7)
выражение для номинальной числовой апертуры примет вид
.2
1
2
2
2
1
Δ≈−= nnnNA
(1.8)
Из последнего выражения видно, что с увеличением разности показателей
преломления сердцевины и оболочки значение NA возрастает и, следовательно,
улучшается эффективность ввода излучения в ОВ. Например, при п=1.51 и п
г
=1.13
все меридианные лучи, падающие из воздуха на торец ОВ, входят в сердцевину
(NA=1, 2/
π
θ
=
A
).
Последнее выражение учитывает только меридианные лучи, в то время как в ОВ
в основном имеют место косые лучи с гораздо более сложной траекторией
распространения, расчет ввода которых гораздо сложнее. Поэтому получить простое
выражение для числовой апертуры косых лучей не удается. Однако здесь
необходимо отметить, что апертура, полученная по данному выражению для
меридианных лучей ступенчатого ОВ, меньше действительной апертуры,
учитывающей все введенные лучи.
Для градиентных ОВ вводится понятие локальной числовой апертуры, равной
,)()(
2
2
2
1
nrnrNA −= (1.9)
которая показывает, что максимальный угол ввода оптического излучения в этом
случае определяется тем, в какой точке сердцевины волокна находится вершина
конуса, иными словами, захват волокном вводимого луча света зависит от того, в
какой точке сердцевины он вводится в градиентное волокно. Очевидно, что при r=0,
т. е. при вводе излучения по оси волокна, локальная числовая апертура равна
номинальной числовой апертуре. Для наиболее распространенного градиентного ОВ
с параболическим профилем показателя преломления числовая апертура оп-
ределяется выражением
.
2
1
2
2
2
1
nnNA −= (1.10)
Естественно, что определение числовой апертуры косых лучей градиентного
волокна представляет еще более сложную задачу, нежели в случае ступенчатого.
В заключение следует отметить, что равенство числовых апертур источника и
приемника излучения является одним из необходимых условий достижения малых
потерь при их соединении.
1.5 Затухание в волоконных световодах.
Затухание в волоконном световоде возникает вследствие поглощения,
рассеяние и потерь связанных с микроизгибами. Затухание оптического волокна в
зависимости от длины волны показана на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Затухание оптического волокна в зависимости от
длины волны (показаны три окна прозрачности, используемые
для ВОСП).
1.6 Дисперсия оптического волокна
Другим важным параметром оптического волокна является дисперсия, которая
определяет его пропускную способность для передачи информации.
Дисперсия — это рассеивание во времени спектральных или модовых
составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности
импульса оптического излучения при распространении его по ОВ (рис. 1.5) и
определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе ОВ
[2]:
(1.11) ,
22
вхвых
τττ
−=
где значения
вых
τ
и
вх
τ
определяются на уровне половины амплитуды импульсов.
Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно
снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше
увеличение длительности импульсов.
Дисперсия в общем случае определяется тремя основными факторами:
различием скоростей распространения направляемых мод, направляющими
свойствами оптического волокна и параметрами материала, из которого оно
изготовлено. В связи с этим основными причинами возникновения дисперсии
являются, с одной стороны, большое число мод в ОВ (межмодовая дисперсия), а с
другой стороны — некогерентность источников излучения, реально работающих в
спектре длин волн
λ
Δ (хроматическая дисперсия). Межмодовая дисперсия
преобладает в многомодовых ОВ и обусловлена отличием времени прохождения
мод по ОВ от его входа до выхода. Для ОВ со ступенчатым профилем показателя
преломления скорость распространения электромагнитных волн с длиной волны
Рис. 1.5. Распространение излучения по ступенчатому
и градиентному многомодовым и одномодовым ОВ
λ
одинакова и равна ,
1
nlcv ⋅⋅
=
где c — скорость света, а l — длина волокна. Как было
показано выше, в этом случае все лучи, падающие на торец ОВ под углами к его оси
в пределах
A
θ
θ
<<0 , достигают приемного устройства с некоторым временным
сдвигом, что, естественно, приводит к увеличению длительности принимаемого
импульса.
Межмодовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок и более
ниже, чем у ступенчатых волокон. Это обусловлено тем, что за счет уменьшения
показателя преломления от оси ОВ к оболочке скорость распространения лучей
вдоль их траекторий изменяется — так, на траекториях, близких к оси, она меньше,
а удаленных — естественно, больше. Следовательно, лучи, распространяющиеся
кратчайшими траекториями (ближе к оси), обладают меньшей скоростью, а лучи,
распространяющиеся по более протяженным траекториям, имеют большую
скорость. В результате время распространения лучей выравнивается и увеличение
длительности импульса становится меньше. Так как межмодовая дисперсия не
зависит от характеристик источника излучения, для многомодовых волокон ее
оценивают по полосе пропускания ОВ ( кмМГц
⋅
).
Согласно геометрической интерпретации распространения оптических лучей
по ОВ, время распространения луча зависит от угла
n
θ
и, как было показано выше,
определяется выражением
.cos/)(
1 nn
cnLtg
θ
θ
⋅⋅=
Так как минимальное время распространения оптического луча имеет место
при 0=
n
θ
, а максимальное при
крn
θ
θ
=
, соответствующие им значения времени
распространения можно записать как
cnL
мин
⋅⋅= /
θ
и
крмакс
cnLt
θ
cos/
1
⋅⋅= ,
откуда значение межмодовой дисперсии равно
L
c
n
n
nn
n
c
L
tt
минмаксмм
Δ
=
−
=−=
1
1
21
1
)(
τ
. (1.12)
Из последнего выражения следует, что межмодовая дисперсия возрастает с
увеличением длины волокна. Однако это справедливо только для идеального
волокна, в котором взаимодействие между модами отсутствует. В реальных
условиях наличие неоднородностей, кручение и изгиб волокна приводят к
постоянным переходам энергии из одних мод в другие — взаимодействию мод, в
связи с чем дисперсия становится пропорциональной
L
. Это явление проявляется
не сразу, а после определенного расстояния прохождения световой волны, которое
носит название длины установившейся связи мод. Это значение принимается
равным 5 - 7 км для ступенчатого волокна и 10 - 15 км — для градиентного и
установлено эмпирическим путем.
В градиентных многомодовых волокнах время распространения оптических
лучей, как было показано выше, определяется законом изменения показателя
преломления и при определенных условиях выравнивается, что, естественно, влечет
к уменьшению дисперсии. Так, при параболическом профиле показателя
преломления q=2 значение межмодовой дисперсии будет определяться выражением