Квантово-електронні модулі, підсилювачі та лінійні регенератори.

Для повышения надежности и снижения требований к условиям эксплуата­ции и монтажа источники и приемники для ВОЛС выполняют в КЭМ, предна­значенных для приема и передачи информации по ВОЛС со стандартными скоростями 2,048; 8,448; 34,448; 139,264 Мбит/с

Квантово-электронный модуль (КЭМ) позволяет подключать с одной стороны аппаратуру (передачи или приема), а с дру­гой — оптический кабель. На передаче модуль обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический, а на приеме — обратное преобразование. В состав КЭМ на передаче входят: полупроводниковый источник излучения с электронной схемой воз­буждения (ИЛ), согласующие устройства, обеспечивающие эффективный ввод из­лучения в волокно и разъемный соединитель, с помощью которого осуществляются подсоединение светово­да и ввод в него оптического сигнала.

В состав КЭМ на приеме входят согласующее устройство, разъемный соединитель, полу­проводниковый фотодетектор, преобразующий оптический сигнал в электрический, и малошумящий усилитель.

Для уменьшения зависимос­ти характеристик от температуры и времени наработки используют систему стабилизации выходной мощности, под­держивающую постоянную выходную мощность излучения путем соответст­вующего изменения тока накачки. В процессе деградации источника из­лучения при достижении предельного Iн система встроенной диагностики формирует на специальном выходе модуля сигнал потенциального отказа, который используется для выявления КЭМ, отра­ботавшего свой ресурс. Входной форми­рователь обеспечивает согласование КЭМ со стандартными сигналами. Схема блокировки предотвращает возникнове­ние нежелательных режимов работы ИЛ и блокирует его работу при отсутствии входного сигнала.

Линейный регенератор. Через определенные расстояния (10...50 км), обусловленные дисперсией или затуханием кабеля, вдоль оптической линии располагаются линейные регенераторы (ЛР). В ЛР сигнал восста­навливается и усиливается до требуемого значения.

ОЭП – оптикоэлектрический преобразователь, ЭОП – электрооптический преобразователь.

В регенераторе, содержащем два полукомплекта (отдельно для прямого и обратного направлений передачи), оптический сиг­нал преобразуется в электрический. В таком виде он регенериру­ется, усиливается и затем обратно преобразуется в оптический сигнал, который далее передается по ОК (оптический кабель). Оптический кабель подключается к ОЭП приемника через разъемный соединитель.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования. Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуциро­ванному излучению. Однако, есть две основные причины, которые делают применение усилителя более предпочтительным.

1. Качество сигналов, передаваемых по оптическому волокну, остается очень высоким вследствие малой дисперсии и за­тухания. Также не велик уровень вносимых шумов из-за подверженности волокна влиянию электромагнитного излучения. Поэтому ретрансляция передаваемых данных простым усиле­нием без полной регенерации становится весьма эффективной.

2. Оптический усилитель является более универсальным устройством, поскольку в отли­чии от регенератора он не привязан к стандарту передающегося сигнала или определенной частоте модуляции.

На практике на один регенератор может приходиться несколько последовательно рас­положенных оптических усилителей (до 4-8).

 

22. Найпростіші двохшарові світловоди.

Волоконный световод, состоящий из однородной сердцевины и однородной оболочки, называется двухслойным, или ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП).

Важным параметром ВС является числовая апертура, От её значения зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод N = V²/2.

Здесь - нормированная рабочая частота; l - длина волны; a - радиус сердцевины.

Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Подобные световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения. Но для этого необходимо создать совершенную границу между жилой и прозрачной оболочкой. Наиболее простая технология изготовления световода состоит в том, что стеклянный стержень-сердцевина вставляется в плотно подогнанную стеклянную трубку с меньшим показателем преломления. Затем эта конструкция нагревается.

В волоконно-оптических световодах используется двухслойное волокно. Оно состоит из «сердцевины» (внутренней жилы) с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2.

Поскольку внутренняя жила оптически более плотная, чем оболочка (n1 >n2), то для лучей, входящих в световод под малыми углами по отношению к оси световода, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении световой волны на границу с оболочкой вся ее энергия отражается внутр. «сердцевины». То же самое происходит и при всех последующих отражениях.

Таким образом, свет распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку.

Обычно внутренняя (световедущая) жила изготавливается из чистого кварца, а светоотражающая оболочка, имеющая меньший показатель преломления, из кварца, легированного бором. Диаметр внутренней жилы световода обычно не превышает десятков мкм, диаметр оболочки — 100 мкм. Как показывают экспериментальные исследования, такие световоды отличаются высокой прочностью и в то же время устойчивы к изгибам и скручиванию.

Двухслойные световоды могут объединяться в кабели, содержащие до нескольких сот двухслойных волокон (рис. 10.6). Типовые технические данные оптических кабелей следующие: наружный диаметр 2...20 мм; прочность на разрыв—от десятков до сотен ньютонов, масса—2...200 г/м (минимальные значения порядка 0,3 г/м), допустимый радиус изгиба 5...50 см.

Волоконный световод, состоящий из однородной сердцевины и однородной оболочки, называется двухслойным, или ВС со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП). Поперечное сечение и ППП такого световода показаны на рис. 1.

n1

n2

Важным параметром ВС является числовая апертура, которая определяется выражением

От её значения зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в ВС, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Для однородного двухслойного ВС число мод N = V²/2.

 

Здесь - нормированная рабочая частота;

 

l - рабочая длина волны; a - радиус сердцевины.

Каждая мода обладает характерными для неё структурой ЭМП, фазовой и групповой скоростями.

Числовая апертура зависит от материала и способа изготовления световодов. ВС со ступенчатым ППП с большой апертурой (0,2-0,6) изготовляют из многокомпонентных стёкол.

 

 

 

24.Однополярізаційнї світловоди. Світловоди інтегральної оптики.

Постоянное совершенствование ВОЛС в направлении увеличения скорости передачи информации и длины участка регенерации поставило задачу создания так называемых когерентных ВОЛС с гетеродинным методом приёма оптических сигналов. Для этих ВОЛС необходимы одномодовые световоды, сохраняющие поляризацию передаваемого излучения на большой длине – однополяризационные световоды. В обычном круглом световоде определённое состояние поляризации сохраняется на расстоянии не более чем несколько метров.

Разработаны однополяризационные световоды с линейной и круглой поляризациями. Световоды с линейной поляризацией представляют собой аксиально-несимметричные структуры, в которых может распространяться или мода только одной поляризации, или две моды различной поляризации, но с большой разностью между значениями постоянных распространения этих мод. Первые называют абсолютно поляризационными световодами, вторые световодами с линейным двулучепреломлением.

Примером абсолютно однополяризационных световодов являются световоды с аксиально-несимметричным распределением показателя преломления в сердечнике.

Ортогонально поляризованные моды НЕx11 и HEy11 имеют различные частоты отсечки Vcx и Vcy соответственно. Частотный диапазон одномодового режима характеризуют параметром S

Значения параметра S малы, поэтому такие световоды находят ограниченное применение.

В однополяризованных световодах с линейным двулучепреломлением разность постоянных распространения двух поляризаций моды НЕ11 можно увеличить либо изменением формы поперечно­го сечения сердечника (оболочки), либо созданием анизотропно­го индуцированного механического напряжения в поперечном се­чении. Тогда первое двулучепреломление называют геометричес­ким, а второе — индуцированным.

Поляризационные свойства световодов с двулучепреломлением характеризуются коэффициентом модового двулучепреломления и длиной биений

где bx и by – постоянные распространения двух мод различных поляризаций; lВ – длина волны в световоде. Для сохранения поляризации необходимо, чтобы L<Lс, где Lс — пространствен­ный период случайных возмущений вдоль световода, обычно составляющий несколько сантиметров.

Одномодовые световоды с круговой поляризацией получают при скручивании аксиально-симметричных световодов, при этом возникает различие постоянных распространения мод НЕ11 с кру­говой поляризацией по часовой

Световоды для устройств интегральной оптики. представляют собой слой постоянной толщины с диэлектрической проницаемостью Е0 нанесенный на подложку из диэлектрика с Е1, причем Е0>Е1 и Е2. Если угол между нормалью к поверхности пленки и направлением распространения луча света θ больше критического угла падения для верхней и нижней границ раздела, то световая волна в пленке, испытывая полное внутреннее отражение, будет распространяться по зигзагообразному пути и может быть названа зигзагообразной волной. Постоянная распространения волноводной моды , где n*- эффективный показатель преломления волноводной моды.

Значения угла θ соответствуют набору углов, удовлетворяющих самосогласованному распространению поля в волноводе, при котором поддерживается распространение волноводной моды.

Области существования волноводных мод для идеального плоского волновода характеризуются диаграммой ω-β. На частоте отсечки постоянные распространения мод принимают значения, лежащие на верхней границе n1k. При увеличении частоты ω (или толщины волновода) величина β возрастает и достигает нижней границы n0k. Дискретный спектр волновода дополняется непрерывным спектром излучательных мод.

Число волноводных мод определяется как: