Тема 15. Волоконно – оптические линии связи (волс)

Современные информационные системы основаны на работе электронных приборов. Однако они имеют следующие недостатки: ненадежное экранирование аппаратуры и линий связи, недостаточную изоляцию от помех и т.д. Кроме того, постоянно возрастает необходимость увеличивать скорость передачи информации и объем памяти. Эту задачу можно разрешить при совместном использовании электронных и оптических методов и средств, т.е. с помощью оптоэлектроники. Оптоэлектроника – это раздел физики, изучающий оптические и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования.

Приборы, работающие на основах оптоэлектроники, передают информацию с помощью фотонов. Такие приборы имеют значительные преимущества: хорошую помехозащитность оптического канала связи, большую плотность записи информации, высокую информационную емкость и т.д.

Элементная база оптоэлектроники состоит из следующих групп приборов: источники излучения (светодиоды; лазеры); приемники излучения (фотодиоды, фоторизисторы, фототранзисторы и т.д.), оптоэлектронные микросхемы, приборы для отражения информации, оптические канал связи.

Одними из источников излучения, применяемых в оптоэлектронике являются твердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. Твердотельные и газовые лазеры имеют недостатки связанные с его размерами, ограниченной скоростью модуляции, небольшой шириной полосы модуляции и ограниченный срок службы, в этой связи они представляют малый интерес для оптической техники связи. К элементной базе может быть отнесен удобный источник света - полупроводниковый лазер. Полупроводниковый лазер требует невысоких напряжений и меньших мощностей.

Отличие полупроводникового лазера от твердотельного и газового заключается в способе возбуждения. Он накачивается электрической энергией, а не световой, как другие. К одному из p-n переходов, прикладывается напряжение и направление проводимости. Возникает ток, нарушается равновесие носителей зарядов (электронов и дырок), что приводит в области p-n перехода к инверсии населенностей энергетических зон. Полупроводник накопил энергию.

При самопроизвольном переходе атомов из возбужденного состояния в основное, излучаемый свет (при рекомбинации) будет некогерентен. Его мощность напрямую зависит от прикладываемого направления тока через p-n переход и числа возбужденных атомов. Но это еще не лазер, а всего лишь светоизлучающий диод. При дальнейшем повышении тока через переход вероятно самовозбуждение диода, что возможно при наличии обратной связи и является предпосылкой стабильного излучения. Значение тока, при котором диод начинает генерировать лазерное излучение, называется пороговым, а выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен. Увеличение мощности примерно пропорционально возрастающему току.

Необходимым условием образования оптических резонаторов в твердотельном и газовом лазерах является наличие зеркальных поверхностей. При малых объемах резонатора в полупроводниковом лазере крепление зеркал практически невозможно: размеры p-n перехода, в области которого возникает индуцированное излучение, таковы: толщина менее 1 мкм и несколько десятков микрометров ширина. К тому же арсенид галлия (GaAs), являющийся в настоящее время основным материалом для светоизлучающих диодов, имеет очень высокий коэффициент преломления. Поэтому функция отражения реализовывается в самом кристалле. Ровные поверхности кристалла полупроводника, разломанные в определенном направлении, становятся отражателями оптического резонатора.

Управляющий (модулирующий) сигнал, несущий информацию, вызывает модуляцию светового луча, т.е. изменение его параметров. Различают модуляцию внешнюю и прямую.

Поляризованный световой луч, минуя источник света, проходит в модулятор. В нем, в такте передаваемого сигнала, изменяется амплитуда и фаза излучения. Это происходит при внешней модуляции. В этом случае электрооптический эффект является основой работы модулятора. Результатом возбуждения источника света является модулированный свет, который излучается самим источником света. Только в инжекционных лазерах и светодиодах путем модуляции тока накачки реализуется прямая модуляция. Поэтому системы с ИКМ наиболее выгодны для использования в оптических системах передачи информации.

Для модулирования световых лучей используются поляризационные фильтры, которые светопроницаемы для определенного вида поляризации в том случае, когда находятся в определенном положении относительно направления распространения луча. В случае, когда направление поляризации света повернуто на , фильтры практически непроницаемы. Фильтр, повернутый вокруг оси направления распространения света на такой же угол, пропускает свет второго вида поляризации, преграждая путь первому.

Если имеется возможность изменять плоскость поляризации света нужным образом в соответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала, то вышеописанный эффект применим для модуляции световых лучей с использованием электрооптического эффекта. Через кристалл определенного состава посылается луч света. Перпендикулярно направлению распространения света к кристаллу прикладывается электрическое поле. Чем выше напряженность поля (или чем выше приложенное для создания поля напряжение), тем больше угол поворота плоскости поляризации света. Это явление лежит в основе механизма действия электрооптического модулятора. Свет, выходящий из лазера, поляризуется устройством в разрядной трубке оптического окна, установленного под углом Брюстера. Процесс поляризации возможен с использованием поляризационного фильтра. Преобразование линейной модуляции в круговую происходит с помощью четвертьволновой пластинки. Эллиптической модуляция становится в кристалле в зависимости от сигнала. Свет, модулированный по интенсивности, получается на выходе поляризационного фильтра. При отсутствии напряжения на электродах кристалла направления поляризации в кристалле нет и ориентация поляризационного фильтра, который был подключен, соответствует плоскости поляризации света, который выходит из лазера, либо после модулятора. Проходя через все устройство, свет почти не ослабляется. При повышении напряжения на электрооптическом кристалле увеличивается угол поляризации выходящего света и через поляризационный фильтр проходит уменьшающаяся часть света. Полное поглощение излучения вторым фильтром происходит при изменении поляризации, в результате на выходе устройства имеем темноту. Для очень быстрых изменений прилагаемого модулирующего напряжения подобные модуляторы вполне подходят. Они преобразуют передаваемый сигнал в полосе выше 1ГГц значительно большей, чем это может быть достигнуто электрическими методами. Для модуляции светового луча могут быть использованы некоторые жидкости (нитробензол и др.), помещенные в электрическое поле (эффект Керра), магнитооптические кристаллы в магнитном поле (эффект Фарадея), а также оптических затворов Поккельса.

Как указывалось выше для передачи информации с помощью света применяют волоконно – оптические линии связи (ВОЛС). Принципиально схема передачи сигнала может быть описана следующим образом. Закодированная в кодирующем устройстве информация поступает на передатчик, состоящий из источника излучения и модулятора. В качестве источника излучения в системах оптической связи используются твердотельные и полупроводниковые лазеры, а также светодиоды. Модулятор управляет интенсивностью излучения, поступающего от источника излучения. Таким образом, по оптическому кабелю распространяется переменный оптический сигнал, несущий закодированную информацию. При большой протяженности ВОЛС наблюдается сильное ослабление светового луча, поэтому для восстановления его интенсивности используется ретранслятор.

В приемнике оптическое излучение вновь преобразуется в электрический сигнал и усиливается по мощности с помощью усилителя. Декодирующее устройство позволяет расшифровать переданную информацию.

Основные преимущества ВОЛС:

5. широкий диапазон рабочих частот (до 1 ГГц), что позволяет по одному оптическому кабелю одновременно передавать до телефонных разговоров или телепрограмм;

6. высокая помехоустойчивость от внешних электромагнитных воздействий и межканальных взаимных наводок, что особенно важно при высокой плотности коммуникаций;

7. малые габаритные размеры и масса из-за отказа от тяжелых экранирующих оболочек, что дает в бортовой аппаратуре выигрыш по сравнению с электрическими кабелями в 3 – 5 раз;

8. секретность передаваемой информации, так как ВОЛС практически не дает излучения в окружающее пространство, а изготовление отводов приводит к нарушению целостности оптического кабеля.

Основу ВОЛС составляют волоконные световоды, передача оптической энергии по которым осуществляется за счет эффекта полного внутреннего отражения. Поясним понятие полное внутреннее отражение света. Если свет из оптически менее плотной среды проходит в более плотную (из воздуха в воду или стекло), то V1>V2 и показатель преломления n>1 (по закону преломления), то

sin /sinβ = V1/V2 = n

(15.1)

Следовательно, : преломленный луч будет приближаться к границе раздела сред, к перпендикуляру. Но если луч идет в обратном направлении (из оптически более плотной среды в менее плотную) вдоль бывшего преломленного луча, то закон преломления будет иметь следующий вид:

sin /sinβ = V2/ V1=

(15.2)

Выходя из более плотной оптической среды преломленный луч станет идти по линии ране падающего луча, следовательно , т.е. данный преломленный луч будет отклоняться от перпендикуляра. В зависимости от увеличения угла , угол преломления будет повышаться, будучи всегда больше, чем угол . В конечном итоге, при определенном угле падения значение угла преломления будет очень близко к и преломленный луч будет идти практически по границе раздела сред. Угол падения имеет соответствие с возможным наибольшим углом преломления = . Если рассмотреть такой вариант, когда , то выяснится, что преломление света неосуществимо. Когда свет падает на границу двух сред, то световой луч будет местами преломляться, а местами отражаться от нее, а в нашем случае, когда , преломление невозможно, что означает полное отражение луча. Это явление и именуется полным отражением света.

Принципы передачи оптического излучения в двухслойном цилиндрическом волоконном световоде заключается в следующем. Внутренняя жила оптического кабеля изготавливается из материала с большим показателем преломления, чем внешняя оболочка ( ) (рис. 15.1)

Для лучей, входящих в световод под малыми углами, угол падения на границу раздела сердцевина-оболочка оказывается больше критического. В результате полного внутреннего такие тучи отражаются от поверхности внешнего слоя, распространяясь вдоль оси волоконного световода.

Рис 15.1 Распространение световых лучей и изменение показателей преломления в двухслойном волокне

Максимальный угол отклонения от оси световода, при котором еще выполняется условие полного внутреннего отражения, определяется соотношением:

(15.3)

Величина A называется числовой апертурой волоконного световода. Лучи, входящие в торец световода под углами (внеапертурные лучи), при отражении от границы раздела внутренней жилы и оболочек частично преломляются. При этом часть энергии передается во внешний слой и там рассеивается. При многократном отражении энергия таких лучей резко уменьшается, в результате они практически не достигают фотоприемника.

Помимо двужильных существуют градиентные световоды селфоки, где оптическая плотность изменяется не ступенчато, а постепенно, обычно по параболическому закону. При этом максимальная плотность достигает в центре световода. В таких световодах направление лучей меняется плавно, и они за счет рефракции фокусируются вблизи осевой линии. (рис 7.2)

Рис 15.2 Распространение светового луча и изменение показателя преломления в градиентном волокне селфоке.

Одной из характеристик световодов являются потери пропускания, которые оцениваются по затуханию оптического сигнала в дБ/км:

В=

(15.4)

где и - мощность сигнала на входе и выходе световода.

После прохождения светового луча по волоконнуму световоду он попадает в приемник излучения. В качестве такого приемника может быть фотоэлектрический приемник, в котором энергия оптического излучения преобразуется в электрическую энергию. За счет внутреннего фотоэлектрического эффекта также для аналогичного преобразования применяют фототранзисторы и фотодиоды. Однако основу большинства используемых в оптоэлектронных приборах фотоприемников представляет диодные структуры (фотодиод, фотодиод на основе барьера Шотки, гетерофотодиод и т.д.). К приемникам излучения также относятся и многоэлементные фотоприемники, которые реагируют на яркостновременные характеристики и воспринимают пространственные размеры передаваемых изображений. Наряду с многоэлементными фотоприемниками необходимо, чтобы полный оптоэлектронный прибор имея устройство для считывания информации. Для этой цели используют сканирующий многоэлементный фотоприемник, который позволяет на выходе устройства получать последовательность электрических сигналов, в которой закодирована передаваемая информация.

Список литературы:

• А.И. Кучумов / Электротехника и схемотехника / «Гелиос АРВ», 2005 / Гл. 1,2,3,4,5,6,7,8,9.

• А.С. Касаткин, М.В. Немцов / Электротехника / М., Академия, 2005 / Гл. 1,2,3,4,5,7,8,9,12.

• В.И. Бойко / Схемотехника / С.-П. «БХВ-Петербург, 2004 / Гл. 2,4,5,6,12.

• В.И. Лачин, Н.С. Савелов / Электроника / Ростов-на-Дону, 2004 / Гл. 1,2,3,4,5,6,7,8,10.

• И.И. Иванов, Г.И. Соловьев, В.С. Равдоник / Электротехника / С.-П. Лань, 2005 / Гл. 1,2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13.

• В.А. Прянишников / Электроника / С.-П., Корона, М. Бином-Пресс, 2006 / Гл. 2,3,4,5,7,8,12,13,15.

• Ю.Н. Новиков / Электротехника и Электроника. Теория цепей и сигналов. Методы анализа / СПБ, 2005 / Гл. 1,2,3,4,5,6,7,8.

• А.А. Щука / Электроника / С.-П. «БХВ-Петербург», 2005 / Ч. 2, Гл. 1,2,3,4,6,7,8,9,10,12.

• Е.А. Лоторейчук / Теоретические основы электроники / М., ФОРУМ-ИНФРА-М, 2004 / Гл. 1,2,3,4,5,6,7,9,10,12,16,17,18,20.

• В.И. Карлащук / Электронная лаборатория на IBM PC / М., Солон-пресс, 2004 / Гл. 3,4,5,6,7,8,9,10.

• В.И. Нефедов / Основы радиоэлектроники и связи / М., Высшая школа, 2002 / Гл. 1,2,3,4,5,6,7,8,9.

ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ

8. http://www.vargin.mephi.ru/bookelektron.html (Книги по электронике и схемотехнике)

9. http://dmitriks.narod.ru/books/books.html#VYPRYAM (Выпрямители для питания приемников от сети переменного тока)

10. http://dmitriks.narod.ru/books/books.html#lenk_spp (Справочник по проектированию электронных схем)

11. http://dmitriks.narod.ru/books/books.html#TITSH (Полупроводниковая схемотехника)

12. http://edu.nstu.ru/courses/tech/mccs/demo/index_win.htm (Моделирование цепей, сигналов и сетей)

13. http://www.trigger.h1.ru/books/books.htm (Книги по схемотехнике)

14. http://toe.stf.mrsu.ru/demo_versia/book/index.htm (Электронный учебник по электронике и схемотехнике)