Проектування вентилю для оптичної системи зв’язку на одновимірному фотонному кристалі

 

Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

Факультет фізики, електроніки та комп’ютерних систем

Кафедра електронних  засобів телекомунікацій

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТУВАННЯ  ВЕНТИЛЮ ДЛЯ ОПТИЧНОЇ СИСТЕМИ  ЗВ’ЯЗКУ НА ОДНОВИМІРНОМУ ФОТОННОМУ КРИСТАЛІ

 

 

Пояснювальна  записка

 

 

 

 

 

УКР.ДНУР 11273 – 01  81  01

 

 

 

 

 

Аркушів 74

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

 

ЗМІСТ

 

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ 4

ВСТУП 5

1. Волз та їх опис 6

2. Існуючі оптичні вентилі 13

2.1 Обгрунтування необхідності застосування 13

2.2 Ефект Фарадея як основа існуючих оптичних вентилів 14

2.3 Принцип побудови магнітооптичного вентилю 15

2.4 Класифікація вентилів за невзаємними явищами 18

2.4.1 Резонансні вентилі 18

2.4.2. Вентилі на «зміщенні поля» 20

2.4.3. Граничні вентилі 22

2.5 Приклади конкретних реалізацій магнітооптичних вентилів 23

2.5.1 Оптичний вентиль з циркулярною поляризацією 23

2.5.2 Магнитооптичний вентиль з системою n дзеркал 24

2.5.3 Дворежимний магнітооптичний вентиль 25

3. Явища відбиття та проходження хвилі в анізотропному середовищі 27

3.1 Типи і властивості матеріальних середовищ 28

3.1.1 Матеріальні рівняння 28

3.1.2 Анізотропія та гіротропія 29

3.1.3 Гіротропія намагниченної плазми 31

3.1.4 Гіротропія намагніченого ферита. 33

3.1.5 Поля і хвилі в гіротропних середовищах.  Запис рівнянь Максвела 37

3.1.6 Поперечні хвилі. Подвійне заломлення 39

3.1.7 Одноосний кристал 43

3.2 Поширення хвиль при тангенційному падінні (паралельно межіі розділу) 46

3.2.1 Ефект втягування 47

3.2.2 Теоретичне обгрунтування для поперечно намагніченого середовища 48

3.2.3 Резонансний характер 53

3.2.4 Невзаємні властивості 54

4. Розрахунок вентилю на основі ефекту втягування 58

4.1 Постановка завдання 58

4.2 Вентиль та його опис 59

4.3 Дослідження коефіцієнтів відбиття 62

4.3.1 Дослідження тривимірних графіків 62

4.3.2 Дослідження амплітудно-частотних характеристик структури 66

4.3.3 Аналіз суміщеного графіка 68

4.4 Аналіз результатів розрахунку 69

4.4.1 Вибір робочих частот 69

4.4.2 Розрахункові характеристики вентилю 69

ВИСНОВКИ 71

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 72

 

 

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

 

ВОЛЗ – волоконно-оптичні  лінії зв’язку

ВОК – волоконно-оптичний кабель

СВЧ – сверхвисокі частоти

DWDM - Dense Wave Division Multiplexing

FTDT - Finite Difference Time Domain  

ВСТУП

 

 

Волоконно-оптичні лінії  зв'язку (ВОЛЗ) безумовно є одним  з найперспективніших напрямів у  сфері сучасного зв'язку  для  передачі великих потоків інформації на значні відстані. У цьому напрямку їх можливості практично не обмежені. По одному оптичному волокну можна  організувати цифровий потік швидкістю 10 х 10⁹ біт/с і вище. За 90 років інформаційна ємність ліній зв'язку зросла на п'ять порядків, починаючи з перших телефонних ліній, швидкість передачі інформації яких становила 1 біт/с. Приблизно таке ж зростання відзначене і за останні 20 років - досягнута швидкість близько 1 Тбіт/с. Темпи зростання волоконної оптики та оптоелектроніки на світовому ринку випереджають всі інші галузі техніки і у середньому складають 40% в рік.

   Відповідно до вищезазначенного  велике значення набувають проблеми  розробки кінцевого обладнання  оптичних систем. У даній роботі  розглядається принцип створення  двонаправленого вентиля, що слугує  для уникнення паразитного зворотнього  зв'язку через відбіття хвиль від торців волокон. Вентиль реалізован на багатошаровій наноплівці з анізотропного метаматеріалу. Дослідження електромагнітніх властівостей таких одновимірних анізотропних фотонних кристалів представляє великий інтерес і в останні роки широко представляється в науковій літературі.

 

1. ВОЛЗ ТА ЇХ ОПИС

 

Волоконно-оптична лінія  зв'язку (ВОЛЗ) - це вид системи передачі, при якому інформація передається  по оптичному діелектричному хвилеводу, відомим під назвою "оптичне волокно". Волоконно-оптична мережа - це інформаційна мережа, сполучними елементами між вузлами якої є волоконно-оптичні лінії зв'язку. Технології волоконно-оптичних мереж крім питань волоконної оптики охоплюють також питання, що стосуються електронного передаючого обладнання, його стандартизації, протоколів передачі, питання топології мережі та загальні питання побудови мереж. 
ВОЛЗ в даний час міцно займають лідируюче положення в сучасних системах зв'язку.

Питання пріоритету ВОЛЗ над  альтернативними рішеннями при  будівництві зв'язкових систем у  всьому світі давно вирішене. Так  в США, за експертними оцінками фахівців консорціуму Bellcore, через 15-20 років волоконно-оптичні  системи повністю замінять системи  дротового зв'язку. В Японії, згідно розробкам науково-дослідного інституту  міністерства зв'язку і інформатики  Японії та відповідно до рішення фірми NTT, в 2001 - 2015 роках всі житлові  будинки і адміністративні будівлі  в країні будуть підключені до широкосмугових цифрових ВОЛЗ. За даними, представленими в Connexions в США в 1993 р. випускалося  щорічно 4000000 км оптичного кабелю, в  Японії - 2000000 км, в Європі - 1800000 км.

Збільшення обсягу світового  ринку збуту для волоконно-оптичних систем у вартісному вираженні становить  у середньому 20% щорічно. Причому  близько 75% волоконно-оптичних ліній  зв'язку припадає на частку локальних  систем зв'язку. В даний час волоконно-оптичні  кабелі прокладені по дну Тихого і  Атлантичного океанів і практично  весь світ "обплутаний" мережею  волоконних систем зв'язку. Європейські  країни через Атлантику пов'язані  волоконними лініями зв'язку з  Америкою. США через Гавайські  острови і острів Гуам - з Японією, Новою Зеландією та Австралією. У  мережу тихоокеанських ВОЛЗ увійшли Тайвань, Гонконг, Малайзія, Сінгапур, Філіппіни, Бруней, Тайланд, а також Корея і КНР. Волоконно-оптична лінія зв'язку з'єднує Японію і Корею з Далеким Сходом Росії. На заході Росія пов'язана з європейськими країнами ВОЛЗ С.-Петербург - Кингисепп - Данія і С.-Петербург - Виборг - Фінляндія, на півдні - з азіатськими країнами ВОЛЗ Новоросійськ - Туреччина.

В Європі, також, як і в Америці, ВОЛЗ давно вже знайшли саме широке застосування практично у всіх сферах зв'язку, енергетики, транспорту, науки, освіти, медицини, економіки, оборони, державно-політичної та фінансової діяльності.

Волоконно-оптичні системи  передачі інформації - сектор телекомунікацій, що найбільш успішно і стійко розвивається. В даний час завдяки технології спектрального ущільнення (DWDM-системи) вдалося підвищити швидкість передачі по одному волоконному світловоду до терабітних величин. Так на конференції OFC'2002 повідомлялося про передачу по одному волокну 256 спектральних каналів по 10 Гбіт / с (сумарна ємність волокна 2,56 Тбіт / с) на відстань 11000 км (Tyco Telecommunications), в іншому випадку передача здійснювалася по 64 каналам по 40 Гбіт / с на відстань 4000 км (Lucent Technologies). Серійно випускається обладнання DWDM-систем з числом спектральних каналів до 80 при швидкості передачі в каналі 10 Гбіт / с. Не менш значимі і показники зростання числа експлуатованих волоконних ліній [4].

В даний час оптоволоконні  мережі є самим перспективним  видом інформаційних мереж, що обумовлене безліччю їх переваг в порівнянні з передачею по мідному кабелю, що випливають з особливостей розповсюдження сигналу в оптичному волокні.

 
ПеревагиВОЛЗ:

1. Широка смуга пропускання  - обумовлена ​​надзвичайно високою частотою несучої 10¹⁴ Гц [5]. Це дає потенційну можливість передачі по одному оптичному волокну інформації в кілька терабіт в секунду. Велика смуга пропускання - це одне найбільш важливих переваг оптичного волокна над мідним або будь-яким інший середовищем передачі інформації.

2. Мале загасання світлового  сигналу у волокні. Випускаєме в даний час вітчизняними і зарубіжними виробниками промислове оптичне волокно має загасання 0,2-0,3 дБ на довжині хвилі 1,55 мкм в розрахунку на один кілометр. Мале загасання і дисперсія дозволяють будувати ділянки ліній без ретрансляції протяжністю 100 км і більше [6].

3. Низький рівень шумів  в волоконно-оптичному кабелі  дозволяє збільшити смугу шляхом  передачі різної модуляції сигналів з малою надмірністю коду.

4. Висока перешкодозахищеність. Оскільки волокно виготовлено  з діелектричного матеріалу, воно несприйнятливе до електромагнітних перешкод з боку оточуючих мідно-кабельних систем та електричного обладнання, здатного індукувати електромагнітне випромінювання (лінії електропередачі, електродвигунні установки і т.д.). В многоволоконних кабелях також не виникає проблеми перехресного впливу електромагнітного випромінювання, притаманної багатопарним мідним кабелям.

5. Мала вага та об'єм. Волоконно-оптичні кабелі (ВОК) мають  меншу вагу і об'єм порівнянні  з мідними кабелями в розрахунку  на одну і ту ж пропускну  здатність. Наприклад, 900-парний телефонний кабель діаметром 7,5 см, може бути замінений одним волокном з діаметром 0,1 см. Якщо волокно "одягнути" в безліч захисних оболонок і покрити сталевою стрічковою бронею, діаметр такого ВОК буде 1,5 см, що в кілька разів менше розглядаємого телефонного кабелю.

6. Висока захищеність від  несанкціонованого доступу. Оскільки  ВОК практично випромінює в  радіодіапазоні, то передану по  ньому інформацію важко підслухати, не порушуючи прийому-передачі. Системи  моніторингу (безперервного контролю) цілісності оптичної лінії зв'язку, використовуючи властивості високої  чутливості волокна, можуть миттєво  відключити "зламуємий" канал зв'язку і подати сигнал тривоги. Сенсорні системи, що використовують інтерференційні ефекти розповсюджуваних світлових сигналів (як за різними волокнами, так і різної поляризації) мають дуже високу чутливість до коливань, до невеликих перепадів тиску. Такі системи особливо необхідні при створенні ліній зв'язку в урядових, банківських та деяких інших спеціальних службах, що пред'являють підвищені вимоги до захисту даних.

7. Гальванічна розв'язка  елементів мережі. Дана перевага  оптичного волокна полягає в його ізолюючій властивості. Волокно допомагає уникнути електричних "земельних" петель, які можуть виникати, коли два мережевих пристроя неізольованої обчислювальної мережі, пов'язані мідним кабелем, мають заземлення в різних точках будівлі, наприклад на різних поверхах. При цьому може виникнути велика різниця потенціалів, що здатно пошкодити мережеве обладнання. Для волокна цієї проблеми просто немає.

8. Вибухо-та пожежобезпечність.  Через відсутність іскроутворення  оптичне волокно підвищує безпеку  мережі на хімічних, нафтопереробних  підприємствах, при обслуговуванні  технологічних процесів підвищеного ризику.

9. Економічність ВОК. Волокно  виготовлено з кварцу, основу  якого складає двоокис кремнію,  широко розповсюдженого, а тому  недорогого матеріалу, на відміну  від міді. В даний час вартість  волокна по відношенню до мідної  парі співвідноситься як 2:5. При  цьому ВОК дозволяє передавати  сигнали на значно більші відстані  без ретрансляції. Кількість повторювачів  на протяжних лініях скорочується при використовуванні ВОК. При використанні солітонних систем передачі досягнуті дальності в 4000 км без регенерації (тобто тільки з використанням оптичних підсилювачів на проміжних вузлах) при швидкості передачі вище 10 Гбіт / с.

10. Тривалий термін експлуатації. З часом волокно зазнає деградації. Це означає, що загасання в прокладеному кабелі поступово зростає. Однак, завдяки досконалості сучасних технологій виробництва оптичних волокон, цей процес значно уповільнений, і термін служби ВОК становить приблизно 25 років. За цей час може змінитися кілька поколінь / стандартів приймально-передавальних систем.

11. Віддалене електроживлення.  В деяких випадках потрібно  віддалене електроживлення вузла  інформаційної мережі. Оптичне волокно  не здатне виконувати функції  силового кабелю. Однак, у цих  випадках можна використовувати  змішаний кабель, коли поряд з  оптичними волокнами кабель оснащується  мідним проводять елементом. 

Незважаючи на численні переваги перед іншими способами передачі інформації, волоконно-оптичні системи  мають також і недоліки, головним чином через велику вартість прецизійного монтажного устаткування і надійності лазерних джерел випромінювання. Багато з недоліків ймовірно будуть нівельовані з приходом нових конкурентоспроможних технологій в волоконно-оптичні мережі.

 

Недоліки ВОЛЗ:

1. Вартість інтерфейсного  обладнання. Електричні сигнали  повинні перетворюватися в оптичні  і навпаки. Ціна на оптичні  передавачі і приймачі залишається  поки що досить високою. При  створенні оптичної лінії зв'язку  також потрібні високонадійне  спеціалізоване пасивне комутаційне  обладнання, оптичні з'єднувачі з  малими втратами і великим  ресурсом на підключення-відключення,  оптичні розгалужувачі, атенюатори.

2. Монтаж та обслуговування  оптичних ліній. Вартість робіт  по монтажу, тестування та підтримки  волоконно-оптичних ліній зв'язку  також залишається високою. Якщо  ж пошкоджується ВОК, то необхідно  здійснювати зварювання волокон  в місці розриву і захищати  цю ділянку кабелю від впливу  зовнішнього середовища. 
Виробники тим часом поставляють на ринок все більш досконалі інструменти для монтажних робіт з ВОК, знижуючи ціну на них.