Курсовая работа: Волоконные световоды для связи

Рис. 3. Спектр оптических потерь волоконного световода

Есть ли пути для дальнейшего резкого увеличения информационной емкости волоконно-оптических систем связи? Есть. Существуют два подхода к решению этой проблемы: расширение спектральной области и увеличение скорости передачи информации индивидуального канала. На рис. 3 показан спектр оптических потерь волоконного световода на основе кварцевого стекла. Цифрами 1-5 обозначены так называемые "окна прозрачности", в которых осуществлялась оптическая связь по мере ее развития (1-3), а также спектральные области, которые будут использоваться для передачи информации в недалеком будущем (4,5). Практически все современные системы связи работают на волнах около 1.3 и 1.55 мкм, во 2-м и 3-м окнах прозрачности. Экспериментальные системы со спектральным уплотнением каналов используют в настоящее время спектральную область 1530-1610 нм (шириной около 80 нм). Пунктиром показано поглощение, обусловленное гидроксильными группами в стекле. Успехи в технологии волоконных световодов позволили убрать полосу такого поглощения, в результате спектральная область с оптическими потерями < 0.3 дБ/км составляет примерно 500 нм (1200-1700 нм). Использование всей этой области для передачи информации позволит резко увеличить информационную емкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. Имея уже достигнутые величины 0.2 нм и 160 Гбит/с для разности длин волн соседних каналов и скорости передачи информации индивидуального канала, получаем число уплотненных каналов 2500 и суммарную скорость передачи информации 400 Тбит/с, или 0.4 петабит/с.

Учитывая исключительно быстрый прогресс в развитии волоконно-оптической связи, когда новые результаты превосходят все ожидания, можно с большой долей уверенности предположить, что использование спектральной области 1.2-1.7 мкм (или более широкой: 1.0-1.7 мкм) позволит в будущем получать скорости передачи информации ~1 петабит/с (1015 бит/с). Ясно, что для этого потребуются обширные фундаментальные исследования и разработка новой элементной базы, в частности, необходимы оптический усилитель с полосой усиления порядка нескольких сотен нано-метров и новые типы волоконных световодов.

4. Нове типы одномодовых волоконних световодов для перспективних линий связи

Данная глава посвящена вопросу создания новых типов одномодовых волоконных световодов (ОВС) для перспективных линий связи. Рассмотрены две новые структуры профиля показателя преломления (ППП) ОВС. Разработанные структуры ППП могут быть использованы в новейших волоконно-оптических системах.

Рост спроса в увеличении пропускной способности информационных линий связи приводит к неизбежному поиску новых решений для построения новейших волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). К настоящему времени многие ведущие лаборатории мира занимаются вопросом создания ВОЛС со скоростью передачи на канал 40 Гбит/с (STM-256) и выше. В данной главе рассмотрены две принципиально новые структуры ППП, которые могут быть использованы в построении перспективных ВОЛС.

Хроматическая дисперсия является одной из важнейших параметров ОВС и ее необходимо учитывать при создании ВОЛС. Хроматическая дисперсия в волоконных световодах может быть представлена в виде двух основных компонент: материальной и волноводной. Материальная компонента хроматической дисперсии зависит, главным образом, от выбора матрицы стекла, из которого изготовлен данный волоконный световод. Волноводная компонента в свою очередь определяется радиальной зависимостью ППП данного световода. Следовательно, можно подобрать ППП таким образом, что в результате получим необходимую зависимость хроматической дисперсии в интересующем интервале длин волн. В данной работе выбор новых структур проводился на основе расчетов по решению скалярного волнового уравнения по заданному модельному профилю показателя преломления.

Компьютерное моделирование показало, что существует возможность создания ОВС с высоким процентным содержанием Ge в сердцевине (более 20 мол.%), имеющем нулевое значение хроматической дисперсии в области 1550 нм. Увеличение содержания Ge в сердцевине, уменьшение эффективной площади пятна моды и смещение нулевой длины волны хроматической дисперсии в область 1550 нм позволило увеличить чувствительность нового типа ОВС к нелинейным эффектам по сравнению с существующими сегодня германосиликатными ОВС.

Другим новым типом световодов является ОВС, который обладает плоской спектральной зависимостью дисперсии, причем плоская зависимость хроматической дисперсии сохраняется при изменении диаметра световода в процессе вытяжки. Данный тип ОВС может быть использован при создании новых источников излучения на основе эффекта генерации суперконтинуума. Следует отметить, что изготовление новых типов световодов, особенно ОВС с изменяющейся плоской дисперсией, представляет трудоемкий процесс, так как любые отклонения в ППП при изготовлении заготовки будущего световода приводят к изменению оптических характеристик, и первую очередь – к изменению дисперсионных характеристик.

5. Требования к волоконным световодам для линий связи

Все преимущества ВОЛС вытекают из физических принципов, на которых основана волоконно-оптическая технология. Передача информации по волоконным световодам имеет особенности, не присущие другим средствам коммуникации, потому целесообразно рассмотреть основные физические принципы функционирования одномодовых и многомодовых световодов.

5.1 Принципы передачи информации в волоконных световодах

Известно, что в разных средах луч света распространяется с разной скоростью: в стекле - быстро, в воздухе - быстрее, в вакууме - быстрее всего. Попадая на границу двух прозрачных сред, луч света частично отражается, частично преломляется. Угол отраженного луча равен углу падающего, а угол преломленного луча зависит от соотношения показателей преломления сред (отметим, что все углы измеряются от нормали к поверхности). Согласно закону Снеллиуса, произведения синуса угла падающего и преломленного луча на соответствующие показатели преломления сред равны.

Поставим теперь условие, чтобы преломленный луч не проникал во вторую среду, а двигался вдоль границы раздела. Так как при этом g = 90° , то нетрудно вычислить так называемый критический угол (рис.4):

Sin α кр = n2/n1

n1 - показатель преломления сердцевины волокна

n2 - показатель преломления оболочки волокна

Эта формула объясняет "эффект полного отражения", на котором основана вся волоконно-оптическая технология. Эффект состоит в том, что луч, попавший на границу двух сред (первая из которых должна иметь больший показатель преломления, чем вторая), под углом, большим критического, полностью отражается.

Рис. 4. Эффект полного отражения

Если же луч не просто попадает на границу двух сред, а проходит в цилиндрическом волоконном световоде (оптоволокне) между параллельными стенками, то при угле входа больше критического, он "навсегда" останется в световоде:

NA = Sin φкр

Величина NA - одна из главных характеристик оптоволокна, называемая числовой апертурой (NA, numeric aperture).

Здесь φкр = 90° - αкр представляет критический угол, измеряемый относительно оси световода.

Приведенную формулу апертуры удобно привести к другому виду:

NA = √2n·Δn

где n - среднее арифметическое показателей преломления сердцевины nс и оболочки nоб , а Δn = nc - nоб их разность.