Применение световода

Балтийский  государственный технический университет 

«Военмех» им. Д. Ф. Устинова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по «Линиям передач лучевой энергии»

На тему: «Применение световода»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент группы Н391

Титов А. С.

Проверил:

Иванов Д.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

1. ОГЛАВЛЕНИЕ………………………………………………………………2
2. ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................3
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ  СВЕТОВОДОВ…………………….…….…….…..5
4. ПРИМЕНЕНИЕ СВЕТОВОДОВ……………………………….…………...8
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………….……..……17
6. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………………...……19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Человек издавна  использовал свет в качестве источника  сигналов, например маяки, костры и  т.п. Еще в те далекие времена  он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник (глаз). [2]

Определив в  качестве модуляции преобразование механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс - демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике. [2]

Такая обработка  может представлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи. [2]

Другим, очень  важным параметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспособлен к  восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду. В отличие от глаза, современные оптические системы используют в качестве световых приемников технические устройства - фотоэлементы или фотодиоды, позволяющие отслеживать значительные частоты колебаний. [2]

 

Немного истории

Попытки использовать свет, для передачи информации уходят к временам, когда человек только научился сохранять огонь. Всевозможные сигналы, с помощью костров, фонарей, маяков человечество использовало тысячелетия. [3]

В 1790 году, во Франции, Колд Шапп построил систему оптического телеграфа, состоящую из цепи семафорных башен с сигнальными рычагами. Следующий большой шаг сделал в 1880 году американец Александр Грэхем Белл. Он изобрёл фотофон, в котором речевые сигналы передавались с помощью света. Однако эта идея не нашла практического применения. Погода и состояние атмосферы не позволяли гарантированно передавать сигнал на приемлемые расстояния. Атмосфера, как среда передачи была неудобна. [3]

Дэниел Колладон сначала описал этот "легкий фонтан" или "легкая труба" в 1842, а в 1870 году, английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал (см. рис. справа), что свет может передаваться в потоке воды. В его экспериментах использовался принцип полного внутреннего отражения, который применяется в современных световодах. [3]

Следующим заметным этапом был патент, который получил в 1934 году американец Норман Р. Френч на оптическую телефонную систему. Он предлагал модулировать речевыми сигналами свет и передавать его по системе «кабелей» состоящих из стержней изготовленных из чистого стекла. Для реализации этого проекта необходимо было иметь подходящий источник излучения и возможность изготовления сверхчистого материала для светопроводящих стержней. Технически реализовать его идею удалось только спустя четверть века. [3]

В 1958 году американцы Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс, и независимо советские физики Прохоров и Басов разработали лазер. Первые лазеры начали работать в 1960 году. Позже, в 1962 году советский учёный Ж. Алфёров предсказал возможность создания гетеропереходов и построение на их основе полупроводниковых лазерных излучателей. Позже были созданы полупроводниковые светодиодные и лазерные излучатели. К этому времени уже были разработаны полупроводниковые фотодиоды. Но для построения эффективных сетей передачи данных необходимо было иметь световоды с коэффициентом затухания не более 20 дБ/км. Лучшие на то время световоды использующиеся в медицине для прямой передачи изображения на короткие расстояния составляло порядка 1000 дБ/км.

Прорыв был произведён в 1970 году компанией Corning. Они получили оптические волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с коэффициентом затухания на длине волны 633 нм менее 20 дБ/км. Уже к 1972 году удалось уменьшить коэффициент затухания на длине волны 850 нм до 4 дБ/км. Современные многомодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 850 нм не более 2,7 дБ/км, одномодовые волокна имеют коэффициент затухания на длине волны 1550 нм не более 0,2 дБ/км. [3]

Первые волоконно-оптические кабели были пущены в эксплуатацию для телефонной связи на кораблях военно-морского флота США в 1973 году. Позже они стали активно использоваться в авиации, позволяя полностью исключить помехи в каналах передачи данных и при этом существенно уменьшить вес оборудования. [3]

Первый стандартный подводный  волоконно-оптический кабель (ТАТ-8) был успешно проложен через Атлантический океан в 1988 году. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ  СВЕТОВОДОВ

 

Прежде чем перейти к применению световодов, сначала рассмотрим их виды и характеристики.

 

Профили волоконных световодов [3]

Основными профилями  оптических  волокон являются:

• треугольный профиль
• параболический профиль
• ступенчатый профиль

В последнем  случае, при ступенчатом профиле, показатель преломления в стекле сердцевины остаётся постоянным, для  остальных случаев, показатель преломления постепенно увеличивается от величины n₂ для стекла оболочки, до величины n₁ у оси волоконного световода. Последние называют градиентными профилями распределения показателя преломления.

Типы  оптических волокон, светодиодов [3]

В настоящее время используют два типа оптического волокна: многомодовые и одномодовые.

Все современные  оптические волокна использующиеся для построения сетей передачи данных имеют одинаковый внешний диаметр  равный — 125 мкм. Для механической защиты волокна покрывают оболочкой (первичное буферное покрытие) её толщина — 250 мкм. Для упрощения работы с многоволоконными кабелями, буферное покрытие волокон находящихся в одном кабеле окрашивают в различные цвета. Для кабелей в которых используется большое количество волокон, оптические волокна склеиваются в плоские шлейфы (чаще всего по 8 волокон). Далее эти шлейфы укладывают параллельно в «стопки» и помещают в специальные полости внутри оболочки кабеля. Таким образом достигается максимально плотная паковка волокон в кабель с ограниченным внешним диаметром. Оптические волокна использующиеся для кабелей предназначенных для прокладки внутри помещений и для кабелей применяемых для изготовления соединительных шнуров, обычно покрывают ещё одной оболочкой (вторичное буферное покрытие), её толщина — 900 мкм. В многоволоконных кабелях эту оболочку так-же делают различных цветов.

Многомодовое  волокно  — волокно с большим диаметром сердцевины, по которой проходит свет. Такое название объясняется спецификой прохождения электромагнитной волны по сердечнику волокна (см. рис.1). В стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления, лучи света распространяются по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения.

 При этом, лучи света встречающие границу  (торец оптического волокна) под острым углом (измеренным относительно осевой линии), входя во внутрь волокна, полностью отражаются, двигаясь в сердцевине волокна.

 Критический угол (максимальный угол для полного внутреннего отражения) определяется средой преломления между материалами оболочки и сердцевины волокна.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Распространение света через многомодовое оптическое волокно

 

 Лучи, которые  сталкиваются с границей под углом большим, чем критический, преломляются, проходя из сердцевины в оболочку, и не передают свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический угол равен максимальному углу входящего в волокно излучения и зависит от величины диаметра сердцевины волокна. Высокая числовая апертура (диаметр сердцевины) вынуждают свет проходящий под различными углами, подвергаться эффекту дисперсии, при этом происходит существенное наложение лучей света в сердцевине. Большой диаметр сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку лучи под различными углами имеют различные длины траекторий и поэтому затрачивают различное время на прохождение всей длины волокна.

МОВ состоят  из сердцевины и оболочки. Снаружи  волокна имеют до нескольких защитных буферных покрытий (оболочек). (см. рис.2)

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2  многомодовое оптическое волокно - G 50/125мкм

 

Многомодовые  волокна со ступенчатым профилем [3]

Первые волокна  для передачи данных были многомодовыми  со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения  света благодаря полному внутреннему  отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n₁, немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n₂. На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n₁ > n₂. Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n1 одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя по различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обусловленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

 

 

 

Многомодовые  волокна с градиентным профилем [3]

В многомодовом оптическом волокне со ступенчатом  профилем, моды распространяются по оптическим путям разной длинны и поэтому  приходят к концу световода в  разное время. Эта дисперсия может  быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердцевины уменьшается параболически от максимальной величины n₁ у оси световода, до величины показателя преломления n₂ на поверхности границы раздела с оболочкой. Оптический волновод с таким профилем, (когда показатель преломления плавно изменяется) называется градиентным волоконным световодом. Лучи света проходят по такому волокну по волно- или винтообразным спиралям. Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом, так как показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает.

 

Одномодовое волокно — волокно, основной диаметр сердцевины которого, приблизительно в десять раз меньше длины волны, проходящего по нему света.

 

Волокно со ступенчатым профилем [3]

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

 

Волокна с многоступенчатым профилем [3]

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый  профиль. Для такой структуры  профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300 нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателей преломления в волокне. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).