МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Полупроводниковых приборов и микроэлектроники»
Реферат
Дисциплина: «Квантовая и оптическая электроника»
«Элементная база ВОЛС. Виды ВОЛС»
Факультет: РЭФ
Группа: РП4-31
Выполнил: Чичерников С.В. Отметка о защите:
Новосибирск, 2020 г
Оглавление
Введение
1. История развития волоконной оптики
2. Достоинства и недостатки ВОЛС
3. Структурная схема волоконно-оптической связи
4. Принцип действия световодов
Заключение
Список литературы
Введение
Одним из наиболее перспективных направлений развития радиотехники и приборостроения является использование волоконно-оптических технологий, которые по своим характеристикам значительно превосходят все традиционные кабели связи. При использовании волоконно-оптической связи объем передаваемой информации резко возрастает по сравнению с такими широко распространенными средствами, как спутниковая связь и радиорелейные линии, это связано с тем, что волоконно-оптические системы передачи имеют более широкую полосу пропускания.
В ВОЛС в качестве переносчика сигналов используются световые волны, передатчиками чаще всего служат полупроводниковые лазеры или светодиоды, а приемниками фотодиоды. При этом световые волны, модулированные полезным сигналом, передаются по волоконным световодам. К основным преимуществам ВОЛС по сравнению с известными системами связи относятся: широкополосность и высокая пропускная способность, малое затухание передаваемых сигналов, высокая защищенность от внешних помех, малые габариты и масса. В ВОЛС, в зависимости от их назначения, могут использоваться разные типы волоконных световодов. Например, в широкополосных системах дальней связи (дальность более 100 км) применяются одномодовые или градиентные волокна, а в системах со сравнительно узкой полосой пропускания и дальностью не более 10 км используют градиентные и многомодовые волокна.
В настоящее время оптическое волокно находит свое применение в основном в телевизионных и интернет-коммуникациях. Но считается, что сегодняшнее использование оптоволокна -- это только верхушка айсберга его применения.
1. История развития волоконной оптики
Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Моряки применяли сигнальные лампы для передачи информации с помощью кода Морзе, а маяки в течение многих веков предупреждали мореплавателей об опасностях.
Клауд Чапп в девяностых годах XVIII века построил оптический телеграф во Франции. Сигнальщики располагались на вышках, расположенных от Парижа до Лилля по цепочке длиной 230 км. Сообщения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. (920 км/час, что гораздо выше скорости почтовых лошадей!)
Английский физик Джон Тиндалл в 1870 году продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. Было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала по параболической траектории в другой желоб (рис.1).
Рисунок №1. Распространение света в струе воды по закону полного внутреннего отражения.
Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распространение света происходит и в оптическом волокне. Десятилетием позднее (1880г.) Александр Грэхем Белл запатентовал фото- фон (рис.2), в котором направленный свет использовался для передачи голоса.
Рисунок №2. Конструкция фотофона А. Бэлла.
В этом устройстве с помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света, что приводило к модуляции тока в цепи и воспроизведению звукового сигнала в головных телефонах. Данное устройство позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.
В начале XX века были проведены теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов, в том числе гибких стеклянных стержней.
В 50-е годы Брайеном О'Бриеном (США) и Нариндером Капани (Великобритания) были разработаны волокна, предназначенные для передачи изображения. Эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека.
В 1957 году Гордон Голд, выпускник Колумбийского университета, сформулировал принципы работы лазера как интенсивного источника света. В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер. В этом же году Таунс продемонстрировал работу гелий неонового лазера. В 1962 году советскими академиками Н.Г.Басовым и А.М. Прохоровым была получена лазерная генерация на полупроводниковом кристалле. Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Большой вклад в создание высокоэффективных полупроводниковых лазеров внес академик Ж.И.Алферов.
Возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 000 раз превышают возможности радиочастотного излучения. Несмотря на это, лазерное излучение не вполне пригодно для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь, равно как и состояние атмосферы. Таким образом, первоначально лазер представлял собой коммуникационный световой источник, не имеющий подходящей среды передачи.
2. Достоинства и недостатки ВОЛС
К основным преимуществам ВОЛС, как канала передачи информации следует отнести следующие.
1. Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей - Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит (1012 бит) в секунду. Скорость передачи информации описывается формулой Шеннона:
где: - динамический диапазон сигнала, - динамический диапазон помехи, - ширина спектра передаваемого сигнала.
Величина где - время задержки сигнала в линии связи.
Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
2. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
3. Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.
4. Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.
5. Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 75 мм, может быть заменен одним волокном с диаметром 1 мм. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 15 мм, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
6. Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
7. Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.
8. Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.
9. Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
10. Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.
11. Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать комбинированный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.
Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков вероятнее всего будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.
К недостаткам ВОЛС следует отнести:
1. Стоимость интерфейсного оборудования. Электрические сигналы должны преобразовываться в оптические и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линии связи также требуются высоконадежное специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители, аттенюаторы.
2. Монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды.
Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.
3. Требование специальной защиты волокна. Прочно ли оптическое волокно? Теоретически да. Стекло, как материал, выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа (109 Н/м2). Это, казалось бы, означает, что волокно в единичном количестве с диаметром 125 мкм выдержит вес гири в 1кг. К сожалению, на практике это не достигается. Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно не было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например нитями на основе кевлара. (Kevlar- зарегистрированная торговая марка материала корпорации E.I. du Pont de Nemours. Kevlar- неметаллический материал, выдерживающий большие нагрузки на растяжение). Если требуется удовлетворить еще более жестким условиям на разрыв, кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Но все это влечет увеличение стоимости оптического кабеля.