8-ma’ruza optik aloqa tarmoqlari reja: 18. Infokommunikatsiya xizmatlari. Optik telekommunikatsiya tarmoqlariga qo’yiladigan talablar

18.2 Optik aloka tarmoklarini yangi avlodlarini yaratishdagi yangi va istikbolli optik texnologiyalar.
Zamonaviy aloqa tizimlari va tarmoqlariga qo‘yiladigan muhim talablardan biri axborotni uzatishning yashirinligi va mahfiyligini ta’minlash hisoblanadi. Zamonaviy telekommunikatsiya tizimlariga qo‘yiladigan yuqori talablar (axborotni uzatish yuqori tezlikda bo‘lishi, ishonchlilik, ruxsat etilmagan kirishdan himoyalanganlik), tolali optik aloqa liniyalarining (TOAL) shubxasiz afzalligini anglashga olib keldi.
Mahfiy axborotni uzatish uchun mo‘ljallangan TOAL da axborotni ximoya qilishning barcha mumkin bo‘lgan vositalari va usullaridan foydalangan holda ishonchli, himoyalangan infratuzulma shakllangan bo‘lishi kerak. Tarmoq ob’ektlari va aloqa liniyalarining axborot xavfsizligi quyidagilarni o‘z ichiga oladi:

• 
  qoida buzarning tasodifiy ta’sirlaridan himoyalanganlik;
  
• 
  qoida buzarning (buzg‘unchining) atayin ta’sirlaridan himoyalanganlik;
  
• 
  havfsizlik tahdidlaridan himoyalanganlik.
  

Telekommunikatsiya tarmog‘i ob’ektlarida sirkulyatsiyalanuvchi ma’lumotlar (xabarlar) va tarmoqni boshqarish axborotlari himoyalanishi kerak.
TOAL biror boshqa aloqa liniyalaridan ko‘ra axborotni ruxsat etilmagan kirishdan ancha yuqori darajada g‘imoyalangan bo‘lib, bu optik tolada elektrmagnit to‘lqin tarqalishining fizik prinsiplari bilan bog‘liq. Optik tolada elektromagnit nurlanish optik tolaga tashqi ta’sir bo‘lmaganda tola chegarasidan tashqariga to‘lqin uzunligidan optik bo‘lmagan masofaga chiqadi.
Tolali optik uzatish liniyasi (TOUL) tushunchasi to‘plovchi hisoblanadi. U o‘z ichiga tolali optik kabellarni, qabul qilgichlarini, optik signallar uzatkichini, regeneratorlarni va boshqa qurilmalarni oladi. Komponentlardan har biri u orqali ruxsat etilmagan ta’sirni o‘tkazish manbai bo‘lishi mumkin. TOUL bo‘yicha uzatiladigan optik signal to‘liq ichki qaytish qonuniga muvofiq tarqaladi, shuning uchun TOUL yuqori darajada himoyalanganlikka ega. Shu bilan birga optik tola (OT) butun bir qator sabablarga ko‘ra vujudga kelgan so‘nishga ega: frenel akslanishi, xususiy yutilish, ON ionlarda yutilish, mikro- va makro- egilishlarda nurlanish va boshq. (18.5 - rasm).
Bu hollarni o‘z maqsadlarida foydalanib, yomon niyatli odam uzatilayotgan axborotga ruxsat etilmagan ta’sirlarning turli xil ko‘rinishlarini amalga oshirishi mumkin.


18.5 - rasm. Optik tolada nurlanish va sochilish sabablari

Makroegilish hisobiga yo‘naltiriluvchi modalarning oqib chiquvchiga almashtirilishiga erishish mumkin, bu optik tola quvvati qismining qobiq chegarasidan tashqariga chiqishga olib keladi. Shu bilan jinoyatchi signalga ruxsat etilmagan kirishga ega bo‘ladi. Bunday tashqari, OT larning o‘zaro yoki optik tarmoqlanish bilan tutashish joyida oqib chiquvchi modalardan foydalanish xavfi bor. Bu TOAL uchun quvvatning shunday tanlanishi modalarning "tabiiy" oqib chiqishi natijasida sezilmasligiga asoslangan.

Mikro egilishni yaratish uchun OT qobig‘iga fotodetektirlovchi elementlarning joriy qilinishi yoki OV ga mexanik va termik usullarning ta’siridan foydalanish OT dan quvvatning bir qismi tarmoqlanishiga olib keladi.
Optik tolada elektromagnit energiyaning tarqalishi xususiyatlariga ko‘ra TOAL yuqori darajada yashirinchalikka ega. Buning sababi shundaki, axborot tashuvchi bo‘lib hisoblangan optik nurlanish OT da to‘liq ichki qaytishi qonuniga muvofiq tarqaladi, OT dan tashqarida esa elektromagnit nurlanish eksponensial ravishda pasayadi. Elektromagnit nurlanishning oqib chiqishi va axborotning ruhsat etilmagan olinadigan qismlari nisbatan kam sonli, "klassik" radiotexnik usullari bilan (qabul qiluvchi apparatura, regeneratsion punklar) o‘rganilgan loqallashtirilgan. Shu sababga ko‘ra bu qismlar nazorat ostiga nisbatan osongina olinishi mumkin.
TOUL ni va uning asosiy parametrlarini ko‘rib chiqamiz (18.6 - rasm).

18.6 - rasm TOUL ning tuzilmaviy sxemasi

TOUL tarkibiga quyidagilar kiradi: chiqish quvvati P_s bo‘lgan optik quvvat uzatkichi (OQU), P_R kirish optik quvvatda xatolik koeffitsiyenti (XK) berilgan optik signalni qabul qilishni va almashtirishni ta’minlovchi optik quvvat qabul qilgichi (OQQ) va L uzunlikka va α so‘nishga ega bo‘lgan tolali optik kabel. Qabulqilgich – uzatuvchi juftlik (OQU-OQQ) Ye energetik potensialga ega bo‘lib, u OQU ning quvvatiga, shovqinning spektral zichligiga, OQQ ning sezgirligiga va uzatish tezligi V ga bog‘liq. Berilgan Ye energetik potensial tolali optik trakt L uzunligini cheklaydi, uning so‘nishi (ekspluatatsion zahirani hisobga olgan holda) Ye energetik potensialdan oshmasligi kerak.
To‘liq ichki akslantirishning quyidagi qoida buzilishlari mumkin:

1. 
   Tushish burchagini o‘zgartirish. Tushish burchagini to‘liq ichki qaytish kuzatila boshlaganda chegaraviy tushish burchagining kichik qiymatigacha kamaytirish uchun tashqi ta’sirdan foydalanish.
   
2. 
   Qobiq sindirish ko‘rsatkichining optik tola o‘zagining sindirish ko‘rsatkichiga nisbatining o‘zgarishi. To‘liq ichki qaytish burchagini optik tolada katta o‘ziga xos tushish burchaglari qiymatlarigacha kattalashtirish uchun tashqi ta’sirdan foydalanish.
   
3. 
   Optik tunnellash. Optik tunellash nurlanishning sindirish ko‘rsatikichi to‘liq ichki qaytish burchagidan katta bo‘lgan tushish burchaklarida o‘zinikidan kichik sindirish ko‘rsatkichida optik tolaning qobig‘i orqali o‘tishdan iborat.
   

OT dan signallarning sirqishi kanallarining shakllantirilishini ko‘rib chiqamiz.
A) Optik tola shakllarining o‘zgartirishlarida sirqish kanallarining shakllanishi [113].
Tushish burchagining o‘zgartirilishiga optik tolaga mexanik ta’sir yo‘li bilan, masalan, uni bukish bilan erishilishi mumkin. Optik to‘liq bukilganda o‘zak-qobiq chegarasida elektromagnit to‘lqinning tushish burchagi o‘zgaradi. Tushish burchagi chegaraviy burchakdan kichik bo‘lib qoladi, bu esa elektromagnit nurlanishning bir qismi optik to‘lqindan chiqib ketganini anglatadi (18.7 - rasm).
Optik tolaning bukilishi bukilish joyida kuchli chetki nurlanishga olib keladi, bu lokallashtirilgan sohada axborotni ruxsat etilmagan holda olib qo‘yishga imkoniyat yaratadi.

17.7-rasm. O‘zagining diametri d bo‘lgan optik tolani R radiusli bukishda sirqish kanalining shakllanish, φ₀-tushish burchagi, φ₁-sinish burchagi

To‘liq ichki qaytishning buzilishi bilan bog‘liq o‘zagining diametri d bo‘lgan yorug‘lik eltgichning bukilish nuqtasida qo‘shimcha nurlanish kuzatiladigan maksimal bukilish radiusi R ni baholaymiz. Maksimal radius ushbu ifoda bilan aniqlanadi

(18.1)
bunda n₁,n₂ – mos ravishda optik tola o‘zagining va qobig‘ining sinish ko‘rsatkichlari.
Bukilish nuqtasida OT dan chiqayotgan elektromagnit to‘lqin intensivligi mos ravishda r- va s- qutblanishlar uchun frenel formulalari bo‘yicha aniqlanadi:
(18.2)
(18.3)

bu yerda I₀- tushayotgan nurlanishning intensivligi, va I_p, I_S lar p- va s- qutblanishlar uchun o‘tib ketgan nurlanish intensivliklari. O‘zagining diametri d=50mkm va optik qobig‘ining diametri D=125 mkm (n₁=1,481, n₂=1,476), bo‘lgan ko‘p modali tola uchun bukilish radiusini baholashning ko‘rsatishicha, R≤3,5 sm bo‘lganda bukilish nuqtasida nurlanishning kuchli o‘tishi kuzatila boshlaydi (OT dagi asosiy yorug‘lik oqimi intensivligining 80% gacha qiymati). Shuni aytib o‘tish kerakli, bukilishni baholashda yorug‘lik oqimining shakli, sindiruvchi sirtning silindrik shakli va optik tolaning sinish ko‘rsatkichini o‘zgartiruvchi boshqa effektlar, masalan, fotoelastik effekt hisobga olinmadi. Ularning hissasi ancha kichik.

Mexanik ta’sirda to‘liq ichki qaytishning buzilishi faqat OT ning bukilishidagina emas, balki optik tolaga maxalliy bosim berilganda ham mumkindir, bu hal deformatsiya nuqtasida nazorat qilib bo‘lmaydigan sochilishni (bukilishdan farqli holda) vujudga keltiradi.
B) Sindirish ko‘rsatkichlari nisbatlarining o‘zgarishi natijasida vujudga keladigan tashqi ta’sirdan sirqish kanallarining shakllanishi. Tushish burchagini mexanik ta’sirda faqat optik tola shaklini o‘zgartirish bilangina emas, balki optik tolaga akustik ta’sir ko‘rsatish bilan o‘zgartirish mumkin. OT ning o‘zagida sindirish ko‘rsatkichini davriy o‘zgartiruvchi difraksion panjara yaratiladi, u tovush tulqinining ta’sirida vujudga kelgan. Elektromagnit to‘lqin o‘zining dastlabki yo‘nalishidan og‘adi va uning bir qismi tarqalish kanali chegarasidan tashqariga chiqadi. Qo‘yilgan masalani yechish mumkin bo‘ladigan fizik hodisa yuqori chastotali tovushdagi (f>10 MGts) Bregg difraksiyasi hisoblanadi, uning Λ to‘lqin uzunligi quyidagi shartni qanoatlantiradi

(λL/ Λ²)>1, (18.4)

bu yerda λ- elektromagnit nurlanishning to‘lqin uzunligi, L-tovush to‘lqinining tarqalish sohasining kengligi. Elastik to‘lqin vujudga keltiradigan deformatsiyalar difraqtsion panjara bo‘lib hisoblanuvchi yorug‘lik uchun OT ichida sindirish ko‘rsatkichining davriy o‘zgarishini shakllantiradi (17.8-rasm).
Yagona kuzatiladigan difraksion maksimumning maksimal og‘ishi ikkita Bregg burchagiga teng (2 ΘV). Og‘gan elektromagnit to‘lqinning chastotasi asosiy axborot oqimi chastotasiga teng. Difraksion maksimumning intensivligi quyidagi formula bilan aniqlanishi mumkin
(18.5)

18.8-rasm. Optik tola o‘zagida difraksion panjaraning tovush bilan shakllantirilishi
bu yerda J₀ – tovush to‘lqinining intensivligi, M₂=1,51*10^-15 sek³/kg – kvarsning akustooptik sifati.
Hisoblashlarning ko‘rsatishicha, paramerlari (d/D)=(50/125) bo‘lgan ko‘p modali OT uchun tovush to‘lqini uzunligi Λ=10mkm va o‘zaro ta’sirlashuv uzunligi L=10^-3m bo‘lganda dastlabki tarqalish yo‘nalishidan maksimal og‘ish burchagi 5 gradusni tashkil etadi. Birinchi difraksion maksimumning tovush to‘lqini intensivligiga bog‘liqligi grafigi 18.9-rasmda keltirilgan. Grafikdan ko‘rinishicha, tovush to‘lkinlarining hatto uncha yuqori bo‘lmagan intensivliklarida ham chiqarilayotgan elektromagnit nurlanish uni zamonaviy fotoqabulqilgichlar bilan qayd etish uchun yetarlicha kattadir. Tovushning qayd etilgan intensivligida L tovush chiqarish sohasini o‘zgartirish yo‘li bilan difraksion maksimumda intensivlikning maksimal qiymatiga erishish mumkin, bu bilan sirqish kanaliga yo‘naltiriladigan yorug‘lik intensivligini oshirish mumkin.


18.9-rasm.Difraksion maksimum intensivligining tovush to‘lqini intensivligiga bog‘liqligi

Qobiqning sidirish ko‘rsatkichining OT o‘zagining sindirish ko‘rsatkichiga nisbati (n₁/n₂) ni o‘zgartiruvchi boshqa tashqi ta’sir OT ning shaklini o‘zgartirmasdan mexanik ta’sir, ya’ni cho‘zilish hisoblanadi.

Optik tolani cho‘zishda optik tolaning o‘zagi va qobig‘ining sindirish ko‘rsatkichlarining Δn₁ va Δn₂ ga o‘zgarishi yuz beradi. Bunda to‘liq ichki qaytish burchagining qiymati φ_r dan φ`_r gacha ortadi.
Burchaklarning qiymatlari quyidagi ifoda bilan bog‘langan
. (18.6)
(Δn/n) nisbat uchun ifoda fotoelastik effekt bilan aniqlanadi, shuning uchun
(18.7)
bu yerda, p, ε – fotoelastiklik va diformatsiya tenzorlarining effektiv tashkil etuvchilari, bu optik tolaning cho‘zilishda xosil bo‘ladigan anizotropiyasi bilan bog‘liq. Eritilgan kvars katta kuchlanishlarga (ideal xolatda 10⁶ Pa gacha) bardosh berishini hisobga olib, OT ga katta mexanik kuchlanishlarni qo‘yib, chegaraviy burchakni kattalikka o‘zgartirishga erishish mumkin, bu kattalik asosiy axborot oqimi intensivligining bir qismini optik tola tashqariisiga chiqarishi uchun yetarli bo‘lishi mumkin (18.10-rasm).

18.10-rasm. Tashqi F kuch ta’sir qilganda optik tolani cho‘zish bilan sirqish kanalini shakllantirish

Qobiqning sindirish ko‘rsatgichining OT o‘zagi sindirish ko‘rsatgichiga nisbatining o‘zgarishini mexanik kuchlanish yo‘li bilan vujudga keltiriuvchi usullarga, shuningdek optik tolani burash ham kiradi.
(n₂/n₁) nisbat o‘zgarishining kontaktsiz usullariga barqaror elektr maydonlarning ta’sirini kiritish mumkin, ular o‘zak va qobiqning sindirish ko‘rsatgichini Δn₁ va Δn₂ ga o‘zgartiradi. (Δn/n) nisbat uchun ifoda teskari p’ezoelektrik effekt uchun va fotoelastiklik tenglamadan aniqlanadi:
(18.8)
bu yerda b-p’ezoelektrik effekt moduli; Ye-elektr maydon kuchlanganligi. Agar baxolash uchun ideal eritilgan kvarsni teshishi uchun elektr maydon kuchlanganligi (10⁸ V/m) qiymatini qabul qilsak, to‘liq ichki qaytishning yangi burchagi ( va ) , u holda barqaror elektr maydon ta’siri bilan chegaraviy burchakni kattalikka o‘zgarishiga erishishi mumkin.
Shuni ta’kidlab o‘tish kerakki, mexanik kuchlanishlar bilan elektr maydon bilan ham vujudga keltiriladigan chegaraviy burchak qiymatlarining o‘zgarishlari juda kam bo‘lishiga qaramay, boshqa usullar bilan birga majmuaviy ta’sir ko‘rsatish sirqish kanali shakllanishining samarali uslubiga olib kelishi mumkin. Yuqorida ko‘rib chiqilgan uslublar bitta kamchilikka ega bo‘lib, u bu uslublar asosida yaratilgan sirqish kanallarini oson qayd etishga imkon beradi. Bu sirqish kanallarining joylarida yorug‘likning juda katta teskari sochilishi bilan belgilanadi. Teskari sochilgan yorug‘lik reflektometriyasi yordamida bunday ulanishlar yuqori darajada fazoviy va vaqtli ajratish bilan oson aniqlanadi.
V) Sirqish kanallarini optik tunnellash uslubi bilan shakllantirish.
Qo‘shimcha yo‘qotishlarni va teskari sochilishni kiritmasdan, qo‘shimcha OT bilan axborot optik tolaning o‘zagi chegarasidan tashqariga chiquvchi elektromagnit nurlanishning bir qismini qamrab olishga imkon beruvchi usul optik tunnellash hisoblanadi [118,119]. Optik tunnellash xodisasi optik nurlanishning sindirish ko‘rsatgichi n₁ bo‘lgan muxitda, sindirish ko‘rsatgichi n₁ dan kichik bo‘lgan n₂ qatlam orqali tushish burchagi to‘liq ichki qaytish burchagidan katta burchaklarda n₃ sindirish ko‘rsatgichli muhitga o‘tishdan iboratdir. Integral va tolali optikada optik tunnellash qonun-qoidalari asosida optik tarmoqlagich, optofonlar, fizik kattaliklarning tolali optik datchiklari yaratiladi.

18.11-rasm. Optik tunnellashtirish bilan sirqish kanalini shakllantirish

n_{1 ,} n₂ -optik tolaning o‘zagi va qobig‘ining sindirish ko‘rsatgchlari, n₃ – qo‘shimcha optotolaning sindirish ko‘rsatgichi.
Optik tolada yorug‘lik tarmoqlanganda yorug‘lik oqimining bir qismi OT o‘zagini chegarasidan tashqarigi chiqadi. OT o‘zagidan qobig‘iga r=(D-d)/2 masofaga chiqqan nurlanishning intensivligi o‘zak-qobik chegarasida φ tushish burchagiga bog‘liq holda quyidagi ifoda bilan aniqlanadi

. (18.9)

Bu shunga olib keladiki, optik tolani tayyorlashda qobiq ancha katta qismni egallaydi. Bunda bir modali tolada qobiq ko‘p modaliga qaraganda ancha katta xajmni egallaydi. Bu yorug‘likning o‘zakdan qobiqqa singib o‘tishining keltirilgan formulasidan kelib chiqadi.

φ- tushish burchagining to‘liq qaytish φ_r burchagiga yaqinlashganda eksponenta darajasining ko‘rsatgichi nol qiymatga intiladi, Yorug‘lik tolaning butun tuzilishi bo‘ylab, o‘zagi va qobig‘i bo‘yicha tarqaladi. Bu xol intensivlikning bir qismi asosiy OT dan qo‘shimcha OT ga o‘tishi mumkinligiga olib keladi (18.11-rasm). Qo‘shimcha to‘lqin eltuvchi (tashuvchi) ga o‘tuvchi nurlanishning intensivligi quyidagi ifoda bilan aniqlanadi
(18.10)
bunda k- optik tolalarning aloqa koeffitsenti, S- ikkita tola optik kontakti uzunligi.
Aloqa koeffitsentining maksimum qiymatiga qobiq va qo‘shimcha OT orasidagi masofa 0 ga teng bo‘lganda va qo‘shimcha tolaning sindirish ko‘rsatgichi n₃ = n₁ , bo‘lganda erishiladi. Ifodadan ko‘rinadiki, nurlanish asosiy optik toladan qo‘shimcha OT ga optik kantakt uzunligining ma’lum bir S=π/2k qiymatida o‘tadi. Optik kontaktning uzunligi yanada orttirilganda teskari jarayon yuz beradi. Shunday qilib, nurlanish davriy ravishda bir OTdan boshqasiga o‘tadi, bunda yutilishga, sochilishga yo‘qotishlar o‘zgartirilmaydi.
Optik tunnellashning o‘ziga xos xususiyatlari teskari sochilgan nurlanishning yo‘qligidir, bu aloqa kanaliga ruxsat etilmagan kirishni aniqlashni qiyinlashtiradi. Axborot olishning bu uslubi eng yashirindir.