Оптоволоконная связь

 

3. Волновая оптика.

Феноменологическая  волновая Оптика, оставляющая в стороне  вопрос о связи величин e и m (обычно известных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической Оптики и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая Оптика даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем (длины волны света) но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой оптики оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика (особенно применительно к наиболее длинноволновому участку спектра оптического излучения и смежному с ним т. н. субмиллиметровому под диапазону радиоизлучения) в которой процессы распространения, преломления и отражения описываются геометрооптически но в которой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения. Геометрический и волновой подходы формально объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической Оптика постулируется существование различного типа дифрагированных лучей.        Огромную роль в развитии волновой Оптики сыграло установление связи величин e и m с молекулярной и кристаллической структурой вещества. Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих, и анизотропных средах, и вблизи границ разделов сред с разными оптическими характеристиками, а также зависимость от одних оптических свойств сред - их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления, температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое др.        В классической волновой Оптике параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества) приводит, к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направлений преимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрические генераторы света) и т.д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей развитие в связи с созданием лазеров.      Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая Оптика не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения n. Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света - фотонов, распространяющихся в вакууме со скоростью света с = 2,99·109 см/сек. Фотоны обладают энергией hn, импульсом с абсолютной величиной hn/c и массой hn/c2 (их масса покоя равна нулю, см. Масса), а также спином h/2p; здесь h = 6,65·1027 эрг/сек - Планка постоянная. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном - сумме или разности энергий нескольких фотонов. Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой Оптике методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике, а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, давление света, Доплера эффект), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений. Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) - частное проявление корпускулярно-волнового дуализма, свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения - радиоизлучения (квантовая электроника, квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и Оптики сначала в радиофизике, а затем в физической Оптике сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью (когерентностью). Оно отличается высокой монохроматичностью, предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения. Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической Оптика Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая Оптика), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная Оптика) и т.д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая Оптика).

 

3.1. Одноволоконные оптические системы передачи.

 Широкое  применение на городской телефонной  сети волоконно-оптических систем  передачи для организации межузловых соединительных линий позволяет в принципе решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет продолжать быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических (ОВОСП) систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.    Наиболее распространенные и хорошо изученные ОВОСП, работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей н оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии – соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько раз повысить пропускную способность и соответственно снизить стоимость в расчете на один канало - километр.      Увеличить развязку между противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений. В ВОСП, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые волоконно-оптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципу разделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направления накачки.        Развязку между оптическими сигналами можно увеличить, не прибегая к обужению импульсов, если доя передачи в одном направлении когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом – модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.            Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному ОВ обеспечивает высокую надежность оборудования и применение волоконно-оптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.    По достижении высокого уровня развития волоконно-оптической техники, когда станет практически возможным передавать оптически сигналы на различных модах ОВ с достаточной для ВОСП развязкой, дуплексная связь по одному ОВ может быть организована на двух разных модах, распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей мод излучения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Прием и передача сигналов в оптическом волокне (в волоконных световодах)

Волоконно-оптическая линия передачи (ВОЛП) — волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне.        В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1. На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД). Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение  в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Рисунок 1. – Принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи.

 

 

Выбор элементной базы при реализации  ВОСП и параметры  её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения  цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения  цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом  расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени  объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую  предыдущей ступени. Цифровые сигналы  во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских  стран установлены следующие  стандартные скорости передачи для  различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов),  третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах  цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).           Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.2). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

 

         Аппаратура стыка

 

 

Аппаратура оптического линейного  тракта

Рисунок 2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

 

Для каждой иерархической  скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной  – код HDB-3, для четверичной –  код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой  ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.                              Принцип передачи сигналов по одномодовому и многомодовому оптоволокну.            Одномодовое оптоволокно (одномод) или SingleMode (SM) – способность передачи  только одной моды (одного светового несущего сигнала). Поскольку такое волокно имеет сердечник диаметром 10 мкм и меньше (очень тонкий), при передаче сигнала наблюдается меньшая модовая дисперсия. Это позволяет передавать сигнал на большие расстояния, не используя повторители. Однако одномодовое оптоволокно и сопутствующие его компоненты приема-передачи оптического сигнала стоят дороже.

Принцип одномодовой передачи сигналов:

 

 

Многомодовое оптоволокно (многомод) или MultiMode (MM) – способность передачи нескольких независимых световых сигналов (мод), которые различаются фазами или длинами волн. Однако это требует большего диаметра сердечника, а с увеличением диаметра сердечника световода увеличивается вероятность отражения света от внешней поверхности сердечника. Возникает модовая дисперсия, иначе говоря – рассеивание. В результате уменьшается расстояние и пропускная способность между повторителями(ретрансляторами) сигнала.

 

Принцип многомодовой передачи сигналов:

 

 

У многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). И так как разные моды имеют разную длину, то сигнал на приемнике будет заметно «размазан» по времени. Используемая длина волны - 850 нм или1310 нм.

Аналоговая передача сигналов.        Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии (аналогичности) электрических сигналов (изменений тока и напряжения) представленным ими исходным сигналам (звуковому давлению, температуре, скорости и т.п.), а также подобии форм электрических сигналов в различных точках усилительного или передающего тракта. Форма электрической кривой, описывающей исходный сигнал, максимально приближена к форме кривой этого сигнала.  Такое представление наиболее точно, однако малейшее искажение формы несущего электрического сигнала неизбежно повлечет за собой такое же искажение формы и сигнала переносимого. В терминах теории информации, количество информации в несущем сигнале в точности равно количеству информации в сигнале исходном, и электрическое представление не содержит избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при хранении, передаче и усилении.        Амплитудная модуляция (AM) — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Т.к. контролировать интенсивность излучения на высоком уровне достаточно трудно, даже небольшие ее изменения вносят значительные искажения в передаваемый сигнал.    Частотная модуляция (ЧМ) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией амплитуда остается постоянной.  Цифровая передача          Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого на несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения - его амплитуда может принимать только два предельных значения - 0 и 1. Вся зона возможных амплитуд в этом случае делится на три зоны: нижняя представляет нулевые значения, верхняя - единичные, а промежуточная является запрещенной - внутрь нее могут попадать только помехи. Таким образом, любая помеха, амплитуда которой меньше половины амплитуды несущего сигнала, не оказывает влияния на правильность передачи значений 0 и 1. Помехи с большей амплитудой также не оказывают влияния, если длительность импульса помехи ощутимо меньше длительности информационного импульса, а на входе приемника установлен фильтр импульсных помех.         Сформированный таким образом цифровой сигнал может переносить любую полезную информацию, которая закодирована в виде последовательности битов - нулей и единиц; частным случаем такой информации являются электрические и звуковые сигналы. Здесь количество информации в несущем цифровом сигнале значительно больше, нежели в кодированном исходном, так что несущий сигнал имеет определенную избыточность относительно исходного, и любые искажения формы кривой несущего сигнала, при которых еще сохраняется способность приемника правильно различать нули и единицы, не влияют на достоверность передаваемой этим сигналом информации. Однако в случае воздействия значительных помех форма сигнала может искажаться настолько, что точная передача переносимой информации становится невозможной - в ней появляются ошибки, которые при простом способе кодирования приемник не сможет не только исправить, но и обнаружить.    Особенности цифровой передачи:

• Высокое качество кодирования информации - 10-битное видеокодирование и 20-битовое аудиокодирование
• Высокая защита от интерференции
• Гибкие возможности мультиплексирования
• Возможность передавать до 128 аудио и видеоканалов,128 каналов управления, 10-100М Ethernet данные, сигналы телефонии и сигналы состояния контактов
• Высокое качество передаваемых видеосигналов
• Увеличение расстояния передачи сигналов

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Открылись широкие  горизонты практического применения ОК и волоконно-оптических систем передачи в таких отраслях народного хозяйства, как радиоэлектроника, информатика, связь, вычислительная техника, космос, медицина, голография, машиностроение, атомная энергетика и др. Волоконная оптика развивается по шести направлениям:

- многоканальные  системы передачи информации;

- кабельное  телевидение; 

- локальные  вычислительные сети;

- датчики  и системы сбора обработки  и передачи информации;

- связь и  телемеханика на высоковольтных  линиях;

- оборудование  и монтаж мобильных объектов.

Многоканальные  ВОСП начинают широко использоваться на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это большой информационной способностью ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали. Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из библиотеки и учебных центров.             На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного допуска.       Волоконно-оптические датчики способны работать в агрессивных средах, надежны, малогабаритны и не подвержены электромагнитным воздействиям. Они позволяют оценивать на расстоянии различные физические величины (температуру, давление, ток и др.). Датчики используются в нефтегазовой промышленности, системах охранной и пожарной сигнализации, автомобильной технике и др. Весьма перспективно применение ОК на высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики. Оптические волокна встраиваются в фазу или трос. Здесь реализуется высокая защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП и грозы. Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость ОК сделали их весьма полезными для монтажа и оборудования летательных аппаратов, судов и других мобильных устройств.          В последнее время появилось новое направление в развитии волоконно-оптической техники — использование среднего инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм. Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0,02 дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с участками регенерации до 1000 км. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка. Ожидаются новые интересные результаты в использовании нелинейных оптических явлений, в частности соли тонного режима распространения оптических импульсов, когда импульс может распространяться без изменения формы или периодически менять свою форму в процессе распространения по световоду. Использование этого явления в волоконных световодах позволит существенно увеличить объем передаваемой информации и дальность связи без применения ретрансляторов.  Весьма перспективна реализация в ВОЛС метода частотного разделения каналов, который заключается в том, что в световод одновременно вводится излучение от нескольких источников, работающих на разных частотах, а на приемном конце с помощью оптических фильтров происходит разделение сигналов. Такой метод разделения каналов в ВОЛС получил название спектрального уплотнения или мультиплексирования.  При построении абонентских сетей ВОЛС кроме традиционной структуры телефонной сети радиально-узлового типа предусматривается организация кольцевых сетей, обеспечивающих экономию кабеля. Можно полагать, что в ВОСП второго поколения усиление и преобразование сигналов в регенераторах будут происходить на оптических частотах с применением элементов и схем интегральной оптики. Это упростит схемы регенерационных усилителей, улучшит их экономичность и надежность, снизит стоимость. В третьем поколении ВОСП предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустических преобразователей. Уже разработан оптический телефон и проводятся работы по созданию принципиально новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы. Имеются примеры создания многопозиционных быстродействующих оптических переключателей, которые могут использоваться для оптической коммутации.