Microsoft Word doc



Download 29,1 Mb.
Pdf ko'rish
bet49/67
Sana26.02.2022
Hajmi29,1 Mb.
#470153
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   ...   67
Bog'liq
tsaplin fotonika i optoinformatika vvedenie v specialnost

Вопросы
 
для
 
самоконтроля
 
1. 
Назовите
основные
обязательные
элементы
любого
лазера

2. 
Какие
энергетические
переходы
происходят
при
спон
-
танном

вынужденном
излучении
и
поглощении
в
атоме

3. 
При
каких
условиях
происходит
амплитудное
и
фазовое
самовозбуждения
лазера

4. 
Как
создается
инверсия
населенностей
в
трех

и
четы
-
рехуровневом
лазере

5. 
Чем
обусловлены
основные
свойства
лазерных
пучков
:
монохроматичность

когерентность

направленность

яркость

воз
-
можность
генерации
сверхкоротких
импульсов
света

6. 
Классификация
лазеров
по
физическому
состоянию
ак
-
тивной
среды
и
по
длине
волны
генерируемого
излучения
.
7. 
Особенности
работы
и
сфера
применения
лазеров
на
угле
-
кислом
газе

8. 
Каковы
особенности
работы
полупроводниковых
лазе
-
ров
на
квантовых
структурах

9. 
Приведите
примеры
практического
использования
лазе
-
ров
при
обработке
материалов

10. 
Каков
принцип
работы
лазерного
принтера

11. 
В
чем
состоит
отличие
полупроводниковых
прибо
-
ров
– 
лазеров
и
СИД

использующих
р
–n-
переход
для
получения
оптического
излучения



270 
11.
 
О
ПТИЧЕСКИЕ
 
ВОЛОКНА
 
11.1. 
Общие
 
сведения
 
Первые
волоконные
световоды
(
ВС

или
оптические
во
-
локна
(
ОВ

состояли
из
однородного
по
составу
оптически
про
-
зрачного
цилиндрического
стержня
(
сердцевины
), 
окруженного
оптически
прозрачным
материалом
(
оболочкой
). 
В
простейшем
варианте
ОВ
представляет
собой
тонкую
нить
из
оптически
про
-
зрачного
материала

сердцевина
которой
диаметром
2
а
имеет
по
-
казатель
преломления
n
1

а
оболоч
-
ка
диаметром
2
b 
имеет
показатель
преломления
n


n
1
(
рис
. 11.1). 
По
-
скольку
показатель
преломления
сердцевины
выше

чем
оболочки

направленное
распространение
све
-
та
происходит
благодаря
много
-
кратным
полным
внутренним
от
-
ражениям
от
границы
между
ними

Величины
2
а
 
и
n

– 
n
2
определяют
число
типов
волн
(
мод
), 
которые
могут
распространяться
по
ОВ
при
заданной
длине
волны
света
λ

Выбирая
2
а
 
и

n = n

– 
n

достаточно
малыми

можно
добиться

чтобы
ОВ
работал
в
одномодовом
режиме

Одномодовые
ОВ

в
которых
2
а
< 10 
мкм

а

n 
составляет
не
-
сколько
десятых
долей
процента

применяются
в
межконтинен
-
тальных
линиях
связи
и
других
магистральных
линиях

где
тре
-
буется
чрезвычайно
высокое
качество
передаваемой
информа
-
ции

С
увеличением
диаметра
сердцевины
до
десятков
и
сотен
мкм

а


до
1–2 % 
ОВ
работает
в
многомодовом
режиме

Из
-
за
потерь

связанных
с
межмодовым
взаимодействием

многомодо
-
вые
волокна
применяются
в
основном
для
передачи
мощности
или
для
связи

но
на
короткие
расстояния

Одно

и
многомодо
-
2
b
n
1
n
2
2
а
Рис
. 11.1.
Поперечное
сечение
ОВ


271 
вые
оптические
волокна
мирно
сосуществуют

одномодовые
волокна
используются
в
основном
для
магистральных
коммуни
-
каций

а
многомодовые
– 
для
коротких
линий
(
в
домах
и
офи
-
сах
): 
их
легче
монтировать

они
более
надежны
в
эксплуатации

На
рис
. 11.2 
показан
случай
ввода
гауссова
пучка
света
в
световод
с
отклонением
от
его
центральной
оси

Входная
волна

возбуждает
сначала
основную
0-
ю
моду

затем
1-
ю
моду

после
чего
поочередно
следуют
моды
более
высоких
порядков

Все
моды
должны
распространяться
одновременно

Та
часть
волноводных
мод

которая
не
укладывается
в
световод

образует
вытекающую
моду
и
излучается
за
пределами
световода

Эта
часть
света
обра
-
зует
потери
при
вводе
излучения
в
волновод

Рис
. 11.2. 
Развитие
собственных
мод

соответствующих
одной
падающей
волне

Показаны
три
моды
: 0, 1 
и
2-
го
порядка
с
близким
распределением
интенсивности

а
также
моды
высшего
порядка
и
мода
излучения
ОВ
применяются
в
системах
оптической
связи

в
датчиках

в
оптических
компьютерах

для
канализации
мощного
лазерного
излучения

Важнейшими
характеристиками
ОВ
являются
опти
-
ческие
 
потери

дисперсия
 
групповой
 
скорости

оптическая
 
нели
-
нейность
 
и
 
механическая
 
прочность

Оптические
 
потери
обусловлены
поглощением
света
по
длине
ОВ
и
оцениваются
в
децибелах
(
дБ
/
км
). 
Если
на
входе
ли
-


272 
нии
протяженностью

мощность
сигнала
равна
P
0

а
на
выходе
P
1

потери
α
на

км
длины
линии
равны
(
) (
)
0
1
10
lg
.
L
P P
Спектры
потерь
в
изогнутых
и
прямых
волокнах
могут
су
-
щественно
различаться

В
прямых
волокнах
потери
ограничивают
-
ся
в
основном
рэлеевским
рассеянием
(
происходит
на
оптических
неоднородностях

размеры
которых
значительно
меньше
длины
волны

и
уменьшаются
с
увеличением
длины
волны
~
λ
–4

напри
-
мер

на
λ
= 1550 
нм
потери
всегда
меньше

чем
на
λ
= 1310 
нм

В
то
же
время
в
изогнутых
волокнах
потери
могут

наобо
-
рот

увеличиваться
с
увеличением
длины
волны

Изгибы
светово
-
да

как
и
различные
неровности
границы
раздела

приводят
к
вы
-
ходу
излучающей
моды
за
его
пределы

Потери
при
изгибании
волокна
возникают
по
двум
причи
-
нам

Во
-
первых

потери
возникают
в
месте
соединения
прямого
и
изогнутого
волокна

Обусловлены
они
тем

что
в
изогнутом
волокне
центр
модового
пятна
смещен
относительно
оси
волок
-
на
на
некую
величину
d
зависящую
от
радиуса
изгиба
волокна
(
рис
. 11.3). 
В
результате
модовые
пятна
прямого
и
изогнутого
волокна
в
месте
их
соединения
оказываются
смещенными
друг
Рис
. 11.3. 
Схема

поясняющая
причину
возникновения
потерь
в
месте
соединения
прямого
и
изогнутого
волокна

а
 –
в
изогнутом
волокне
центр
модового
пятна
смещен
относительно
оси
волокна
на
величину
d

б
 – 
в
месте
соединения
«
прямого
» 
и
изогнутого
волокна
их
модовые
пятна
смещены
друг
относительно
друга
на
величину
d


273 
относительно
друга
также
на
величину
d
Поэтому
только
часть
мощности
моды
«
прямого
» 
волокна
(
диаметром
w
передается
моде
изогнутого
волокна

остальная
же
мощность
преобразуется
в
оболочечные
моды
и
теряется

Во
-
вторых

мощность
те
-
ряется
и
непосредственно
в
изо
-
гнутом
волокне

Происходит
это
из
-
за
того

что
в
изогнутом
волокне
периферийная
часть
моды
распространяется
со
ско
-
ростью
больше
скорости
света
в
среде
(
в
оболочке
). 
Эта
часть
моды
излучается
в
оболочку
во
-
локна
и
в
конечном
счете
теря
-
ется
(
рис
. 11.4). 
Величина
этих
потерь
тем
больше

чем
больше
число
витков
волокна
и
чем
меньше
радиус
изгиба
волокна

Дисперсия
(
разброс

откло
-
нение
) – 
это
эффект
зависимо
-
сти
фазовой
скорости
световых
Рис
. 11.4. 
Схема

поясняющая
возникновение
потерь
в
изогнутом
волокне

Звездой
обозначена
точ
-
ка

где
скорость
распространения
фазового
фронта
превысила
скорость
света
в
среде
колебаний
от
длины
волны

Она
приводит
к
искажению
формы
и
длительности
светового
импульса

Поскольку
при
цифровой
пе
-
редаче
информация
кодируется
последовательностью
импульсов

то
чем
они
короче
и
больше
их
число
в
единицу
времени

тем
больше
информации
можно
передать

Если
же
импульсы
расплы
-
ваются
настолько

что
приемник
не
может
их
различить

то
прихо
-
дится
понижать
плотность
их
следования

при
этом
уменьшается
и
пропускная
способность
канала

Различают
материальную
 
и
мо
-
довую
дисперсию

обусловленную
разными
факторами

Первая
зависит
от
состава
материала

а
вторая
– 
от
геометрии
волокна

Материальная
дисперсия
возникает
из
-
за
того

что
спектр
оптического
сигнала
имеет
конечную
ширину
и
разные
спек
-
тральные
компоненты
сигнала
движутся
в
волокне
с
разной
ско
-


274 
ростью
(
рис
. 11.5). 
В
результате
световой
импульс
после
прохож
-
дения
через
дисперсионную
среду
уширяется

Рис
. 11.5. 
Материальная
дисперсия
в
одномодовом
волокне
Появление
модовой
дисперсии
обусловлено
изменением
скорости
распространения
волны
из
-
за
зависимости
показателя
преломления
среды
от
длины
волны

В
волокне
волна
распро
-
страняется
в
двух
средах
– 
частично
в
сердцевине

а
частично
– 
в
кварцевой
оболочке

и
для
нее
показатель
преломления
при
-
нимает
некое
среднее
значение
между
значением
показателя
преломления
сердцевины
и
кварцевой
оболочки
(
рис
. 11.6). 
Рис
. 11.6. 
Модовая
дисперсия
возникает
из
-
за
того

что
усредненный
по
диаметру
моды
показатель
преломления
изменяется
при
изменении
длины
волны


275 
Этот
средний
показатель
преломления
может
изменяться
по
двум
причинам

Во
-
первых

из
-
за
того

что
показатели
преломления
сердцевины
и
кварцевой
оболочки
примерно
одинаково
зависят
от
длины
волны

Во
-
вторых

потому

что
при
изменении
длины
волны

меняется
глубина
проникновения
поля
в
кварцевую
оболочку
и

со
-
ответственно

меняется
среднее
значение
показателя
преломления

Это
чисто
межмодовый
эффект

и
поэтому
возникающую
из
-
за
него
дисперсию
называют
межмодовой
(
волноводной
). 
Волноводная
дисперсия
может
возникнуть
и
в
одномодовом
волокне
при
поляризации
света
и
двулучепреломлении

Она
наво
-
дится
в
номинально
круглом
волокне
при
его
изготовлении
из
-
за
неизбежного
появления
небольшой
эллиптичности
сердцевины
и
внутренних
напряжений

не
обладающих
аксиальной
симме
-
трией
(
рис
. 11.7). 
Поскольку
наведенные
в
волокне
напряжения
не
имеют
выделенного
направления

величина
и
азимут
двулуче
-
преломления
изменяется
случайным
образом
вдоль
оси
волокна

Рис
. 11.7. 
Причины
возникновения
поляризации
(
двулучепреломления

в
оптических
волокнах
Как
правило

превалирует
материальная
дисперсия

а
модо
-
вая
и
волноводная
дисперсия
начинает
проявляться
при
высоких
скоростях
передачи
и
расстоянии
между
ретрансляторами
в
не
-
сколько
сот
километров

Представим
свет

распространяющийся
в
одномодовом
волокне

в
виде
суммы
двух
ортогональных
поляризационных
мод

Возбужденные
быстрая
и
медленная
поляризационные
мо
-
ды
распространяются
вдоль
волокна

не
обмениваясь
при
этом
мощностью

Это
приводит

как
видно
из
рис
. 11.8, 
к
появлению


276 
разности
фазовых
запаздываний
поляризационных
мод
∆τ
и

соответственно

к
уширению
импульсов

Рис
. 11.8. 
Уширение
импульсов
в
поляризованном
волокне
Началом
современного
этапа
разработки
волоконно
-
опти
-
ческих
систем
связи
принято
считать
1970 
год

когда
впервые
были
изготовлены
ВС
из
кварцевого
стекла
с
потерями
порядка
20 
дБ
/
км

Первая
волоконно
-
оптическая
система
связи
была
соз
-
дана
в
1970 
году

а
уже
к
1979 
году
системы

работающие
в
диа
-
пазоне
длин
волн
0,82–0,85 
мкм

прошли
стадию
эксперимен
-
тальных
исследований
и
начали
вводиться
в
эксплуатацию
на
междугородных
и
крупных
городских
магистралях

На
этих
длинах
волн
потери
в
световодах
уменьшились
до
2–3 
дБ
/
км

Позднее
оказалось

что
диапазоны
(
окна

около
1,3 
и
1,5 
мкм
в
стеклянных
волноводах
обладают
большими
преимуществами

На
длине
волны
1,3 
мкм
хроматическая
дисперсия
кварцевых
стекол

определяющая
максимальную
скорость
передачи
ин
-
формации

вообще
отсутствует

При
дальнейших
исследованиях
выяснилось

что
абсолютный
минимум
оптических
потерь
лежит
на
длине
волны
1,5 
мкм

И
постепенно

особенно
для
очень
длин
-
ных
линий

межконтинентальных

системы
связи
стали
конструи
-
роваться
именно
на
эту
длину
волны

позволяющую
передавать
информацию
на
большие
расстояния
без
ретрансляторов

Спектральная
область
современных
кварцевых
световодов

в
которой
возможна
передача
оптических
сигналов
с
относитель
-
но
низкими
потерями
(
до
0,2 
дБ
/
км
), 
очень
широка
(
рис
. 11.9). 
Сейчас
же
в
основном
используются
только
два
участка
спектра



277 
в
районе
1,3 
и
1,5 
мкм

Возможность
использования
всей
этой
области
(
и

соответственно

существенного
увеличения
пропуск
-
ной
способности

связана
с
решением
проблемы
широкополосно
-
го
усиления
в
ближайшей
перспективе

Рис
. 11.9. 
Спектр
потерь
современных
волоконных
световодов
на
основе
кварцевого
стекла
и
прогноз
расширения
области
для
передачи
информации
в
2015 
и
2025 
гг

В
настоящее
время
для
передачи
информации
используется
сравнительно
узкая
спектральная
область
1530–1610 
нм
Кварцевое
стекло
является
по
уровню
прочности

стабильно
-
сти

распространенности
в
природе
очень
хорошим
материалом

Достигнутые
в
кварцевых
волокнах
потери
соизмеримы
с
потеря
-
ми
в
области
стыковки

изгиба
и
других
деформаций
при
монтаже
волокон

Более
низкие
потери
порядка
одной
сотой
дБ
/
км
можно
получить
во
фторидных
стеклах

но
технология
изготовления
этих
стекол
крайне
сложна

Принципиальным
преимуществом
ОВ
при
передаче
инфор
-
мации
является
не
только
большая
широкополосность
при
низких
оптических
потерях

но
и
высокая
скорость
передачи
информа
-
ции

Медные
провода
в
электрических
линиях
связи
позволяют
передавать
информацию
со
скоростью
до
2–10 
Мбит
/
с

При
пере
-
даче
информации
со
скоростью
10 
Гбит
/
с
электроника
уже
не
ра
-
ботает

В
отличие
от
электрических
линий
связи

где
потери
зави
-


278 
сят
от
частоты
передаваемых
сигналов

в
оптических
волокнах
потери
не
зависят
от
скорости
передачи
данных

Поэтому
при
низкой
скорости
передачи
предельно
допустимое
расстояние
ме
-
жду
ретрансляторами
ограничивается
потерями
в
волокнах

а
при
высоких
скоростях
– 
дисперсией

В
волоконных
линиях
дальней
связи

построенных
в
Рос
-
сии

скорость
передачи

как
правило

не
превышает
2,5 
Гбит
/
с

без
использования
оптических
усилителей

Поэтому
в
них
расстояние
между
ретрансляторами
(~100 
км

ограничивается
потерями
в
волокне

В
этих
линиях
используются
стандартные
одномодо
-
вые
волокна

Потери
в
лучших
промышленных
образцах
таких
волокон
на
длине
волны
1550 
нм
составляют
0,18...0,19 
дБ
/
км

В
большинстве
зарубежных
линий
дальней
связи
исполь
-
зуются
оптические
 
усилители

и
в
этих
линиях
расстояние
меж
-
ду
ретрансляторами
уже
не
лимитируется
потерями
в
волокнах

Так

в
наземных
линиях
связи
это
расстояние
может
достигать
1000 
км

в
подводных
линиях
– 
и
10 000 
км

Скорость
передачи
данных
в
большинстве
таких
линий
составляет
до
40 
Гбит
/
с

По
одному
волокну
можно
передавать
гигантское
количе
-
ство
информации
– 
около

Тбит
/
с

Но
на
одной
длине
волны
передавать
потоки
более
10 
Гбит
/
с
практически
нецелесообраз
-
но

оказываются
существенными
ограничения

возникающие
из
-
за
дисперсии
оптических
волокон

Значительно
проще
переда
-
вать
2,5 
Гбит
/
с
на
одной
длине
волны

но
использовать
большое
число
несущих
частот
(
длин
волн
). 
Реально
используется
около
ста
длин
волн

В
одном
из
экспериментов
вводили
132 
длины
волны
в
световод
и
передавали
по
20 
Гбит
/
с
на
каждой

то
есть
скорость
передачи
информации
получалось
более

Тбит
/
с

Реа
-
лизация
технологии
 
спектрального
 
уплотнения
представлена
на
рис
. 11.10. 
На
длинных
морских
линиях
начали
использовать
усилители

накачиваемые
излучением
мощного
эрбиевого
лазе
-
ра

Оптические
усилители
– 
это
очень
важный
компонент
для
спектрального
уплотнения
каналов

поскольку
они
пропускают
и
усиливают
сразу
все
используемые
длины
волн
без
преобразо
-
вания
в
электронную
форму



279 
Рис
. 11.10. 
Принцип
работы
системы
связи
со
спектральным
уплотнением
по
длинам
волн

1
– 
мультиплексор

2
– 
оптический
усилитель
мощности

3

линейные
оптические
усилители
;
4
– 
оптический
предусилитель

5
– 
демультиплексор
На
рис
. 11.11 
представлен
один
из
вариантов
оптического
кабеля
связи

содержащего
несколько
ОВ

Системы
связи

имеющие
такие
огромные
скорости
пере
-
дачи
информации

до
недавнего
времени
оставались
недогру

женными

Складывалось
впе
-
чатление

что
полоса
пропус
-
кания
волоконных
световодов
бесконечна
и
насыщение
про
-
пускной
способности
насту
-
пит
нескоро

Однако
в
по
-
следние
годы
глобальный
по
-
ток
информации
начал
резко
возрастать

Этот

на
первый
взгляд

несколько
неожидан
-
ный
результат
объясняется

во
-
первых

растущим
объё
-
мом
услуг

предоставляемым
в
настоящее
время
Интерне
-
том

во
-
вторых

низкой
стои
-
мостью
производства
и
уста
-
новки
волоконно
-
оптического
Рис
. 11.11. 
Подводный
оптичес
-
кий
кабель
связи
с
однослойным
броневым
покровом

1
– 
силовой
элемент

2
– 
ОВ
;
 3
– 
алюминиевая
трубка

4
– 
стальная
броня


– 
мед
-
ное
покрытие

6
– 
полиэтиленовая
оболочка
телекоммуникационного
оборудования

Эти
два
обстоятельства
привели
к
тому

что
массовое
распространение
получил
широко
-
полосный
(
волоконный

доступ
населения
к
информационным
услугам

то
есть
к
Интернету

причём
распространение
этой
услу
-
ги
в
последнее
время
приобрело
взрывной
характер
(
рис
. 11.12). 


280 
Рис
. 11.12. 
Число
потребителей
услуги
«
Волоконный
световод
в
каждый
дом
»
в
2004–2008 
гг

Среди
стран
– 
потребителей
услуги
«
Волоконный
свето
-
вод
в
каждый
дом
» 
в
настоящее
время
всех
опережает
Япония

в
которой
число
подписчиков
этой
услуги
достигло
15 
млн
при
численности
населения
Японии
128 
млн
человек

В
связи
с
прогнозом
увеличения
глобального
потока
инфор
-
мации
пропускная
способность
трансокеанических
волоконно
-
оптических
систем
связи
должна
обеспечивать
ее
передачу
со
ско
-
ростью
около
100 
Тбит
/
с
к
2025 
г

Достижение
указанных
скоро
-
стей
передачи
информации
возможно
за
счёт
увеличения
числа
спектральных
каналов
в
одном
световоде

Однако
рост
числа
кана
-
лов
и
расширение
спектральной
области

где
оптические
потери
световодов
больше
(
см

рис
. 11.9), 
приводят
к
увеличению
мощно
-
сти
сигналов

вводимых
в
волоконный
световод

А
это
с
неизбеж
-
ностью
влечёт
за
собой
нелинейное
взаимодействие
каналов

Раз
-
работка
волоконно
-
оптических
систем
связи
нового
поколения
по
-
требует
проведения
обширных
фундаментальных
исследований



281 
Использование
оптических
кабелей
увеличивает
пропуск
-
ную
способность
и
надежность
волоконно
-
оптических
систем

способствует
экономии
дефицитных
цветных
металлов
(
медь

свинец
). 
Внешний
диаметр
кабеля
обычно
не
превышает
10 
мм

что
особенно
важно
при
его
прокладке
в
существующей
кабель
-
ной
канализации
сетей
ГТС

Наконец

невосприимчивость
опти
-
ческого
кабеля
к
любым
внешним
электромагнитным
помехам
позволяет
прокладывать
его
в
непосредственной
близости
от
мощных
радиопередатчиков

энергетических
установок
и
дру
-
гих
линий
связи

Вместе
с
тем
на
пути
широкого
внедрения
в
практику
оп
-
тических
кабелей
связи
имеется
еще
немало
трудностей
и
про
-
блем

В
частности

стоимость
оптических
кабелей
в
настоящее
время
еще
весьма
велика

а
параметры
передачи
значительно
хуже

чем
у
экспериментальных
образцов

и
нестабильны

что
связано
с
несовершенством
технологии
промышленного
произ
-
водства

Определенные
трудности
вызываются
специфическими
особенностями
прокладки

монтажа
и
эксплуатации
волоконно
-
оптических
линий
связи

а
также
сложностью
измерений
харак
-
теристик
и
испытаний
оптических
кабелей


Download 29,1 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   ...   67




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©hozir.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling

kiriting | ro'yxatdan o'tish
    Bosh sahifa
юртда тантана
Боғда битган
Бугун юртда
Эшитганлар жилманглар
Эшитмадим деманглар
битган бодомлар
Yangiariq tumani
qitish marakazi
Raqamli texnologiyalar
ilishida muhokamadan
tasdiqqa tavsiya
tavsiya etilgan
iqtisodiyot kafedrasi
steiermarkischen landesregierung
asarlaringizni yuboring
o'zingizning asarlaringizni
Iltimos faqat
faqat o'zingizning
steierm rkischen
landesregierung fachabteilung
rkischen landesregierung
hamshira loyihasi
loyihasi mavsum
faolyatining oqibatlari
asosiy adabiyotlar
fakulteti ahborot
ahborot havfsizligi
havfsizligi kafedrasi
fanidan bo’yicha
fakulteti iqtisodiyot
boshqaruv fakulteti
chiqarishda boshqaruv
ishlab chiqarishda
iqtisodiyot fakultet
multiservis tarmoqlari
fanidan asosiy
Uzbek fanidan
mavzulari potok
asosidagi multiservis
'aliyyil a'ziym
billahil 'aliyyil
illaa billahil
quvvata illaa
falah' deganida
Kompyuter savodxonligi
bo’yicha mustaqil
'alal falah'
Hayya 'alal
'alas soloh
Hayya 'alas
mavsum boyicha


yuklab olish