Многомодовое оптическое волокно
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
тельно большой радиус изгиба по сравнению с многомодовым оптическим кабелем, что делает работу с ним неудобной. Большинство оптоволоконных сетей используют многомодовый кабель, который хотя и уступает по производительности одномодовому кабелю, но зато значительно эффективней, чем медный. Телефонные компании и кабельное телевидение, тем не менее, стремятся применять одномодовый кабель, так как он может передавать большее количество данных и на более длинные дистанции.
1.3 Режимы прохождения луча
Распространение света в волокне иллюстрирует рис. 2. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA.
Рис. 2. Ввод света в оптоволокно: 1 - входной косинус, 2 - осевая мода, 3 - мода низкого порядка, 4 - мода высокого порядка, 5 - критический угол.
В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины и оболочки различаются всего на 1-1,5 % (например, 1,515:1,50) При этом апертура NA - 0,2-0,3, и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12-18 от оси. В одномодовом же волокне показатели преломления различаются еще меньше (1,505:1,50), апертура NA - 0,122 и угол не превышает 7 от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, но при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания.
Числовая апертура характеризует все компоненты оптического канала - световоды, источники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры соединяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.
Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается уравнениями Максвелла. Если рассматривать распространение сигнала с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различными углами, будут распространяться по различным траекториям (рис. 3). Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут проходить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции: показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки, а также и длины волны.
Рис. 3. Распространение волн в сыетоводах: а - одномодовом, б - многомодовом со ступенчатым профилем, в - многомодовом с градиентным профилем, 1 - профиль показателя приломления, 2 - входной импульс, 3 - выходой импульс.
Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменит свою форму - размажется. Различают несколько видов дисперсии: модовая, материальная и волновая. Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Волновая дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.
1.4 Источники и приемники излучения
В качестве источников излучения используются светодиоды и полупроводниковые лазеры. Светодиоды (LED - Light Emitted Diode) являются некогерентными источниками, генерирующими излучение в некоторой непрерывной области спектра шириной 30-50 нм. Из-за значительной ширины диаграммы направленности их применяют только при работе с многомодовым волокном. Самые дешевые излучатели работают в диапазоне волн 850 нм (с них началась волоконная связь). Передача на более длинных волнах эффективнее, но технология изготовления излучателей на 1300 нм сложнее и они дороже.
Лазеры являются когерентными источниками, обладающими узкой спектральной шириной излучения (1-3 нм, в идеале - монохромные). Лазер дает узконаправленный луч, необходимый для одномодового волокна. Длина волны - 1300 или 1550 нм, осваиваются и более длинноволновые диапазоны. Быстродействие выше, чем у светодиодов. Лазер менее долговечен, чем светодиод, и более сложен в управлении. Мощность излучения сильно зависит от температуры, поэтому приходится применять обратную связь для регулировки тока. Лазерный источник чувствителен к обратным отражениям: отраженный луч, попадая в оптическую резонансную систему лазера, в зависимости от сдвига фаз может вызвать как ослабление, так и усиление выходного сигнала. Нестабильность уровня сигнала может приводить к неработоспособности соединения, поэтому требования к величине обратных отражений в линии для лазерных источников гораздо жестче. Лазерные источники применяются и для работы с многомодовым волокном (например, в технологии Gigabit Ethernet 1000Base-LX).
На основе излучателей и детекторов выпускают готовые компоненты - передатчики, приемники и приемопередатчики. Эти компоненты имеют внешний электрический интерфейс ТТЛ или ЭСЛ. Оптический интерфейс - коннектор определенного типа, который часто устанавливают на отрезок волокна, приклеенный непосредственно к кристаллу излучателя или детектора.
Передатчик (transmitter) представляет собой излучатель со схемой управления. Основными оптическими параметрами передатчика являются выходная мощность, длина волны, спектральная ширина, быстродействие и долговечность. Мощность передатчиков указывают для конкретных типов волокон (чтобы в расчетах не учитывать диаграмму направленности, диаметр и апертуру излучателя).
Приемник (receiver) - это детектор с усилителем-формироват