Основы теории передачи по ВОЛС.

Световод. Лучи

СВЕТОВОД (волновод оптический) - закрытое устройство для направленной передачи света. В открытом пространстве передача света возможна только в пределах прямой видимости и ограничивается нач. расходимостью излучения, поглощением и рассеянием в атмосфере. Переход к С. позволяет значительно уменьшить потери световой энергии при её передаче на большие расстояния, а также передавать световую энергию по криволинейным трассам.

Разработаны разнообразные типы С., среди них - линзовые (зеркальные) С., представляющие собой систему заключённых в трубу и расположенных на определённых расстояниях линз (зеркал), полые металлич. трубы и др., однако они не нашли широкого применения.

Наиб. перспективный и широко применяемый в настоящее время (1990-е гг.) тип С.- гибкий диэлектрич. волоконный С. с низкими оптич. потерями (см. Волоконная оптика),позволяющий передавать свет на большие расстояния. В простейшем варианте он представляет собой тонкую нить из оптически прозрачного материала, сердцевина к-рой радиуса a ₁ имеет показатель преломления n₁, а оболочка с радиусом а₂ имеет показатель преломления п₂<п₁ (рис. 1). В приближении геом. оптики лучи, входящие в сердцевину под достаточно малыми углами к оси С., испытывают полное внутреннее отражение на поверхности раздела сердцевины и оболочки и распространяются только по сердцевине.

В зависимости от назначения С. диаметр сердцевины 2a ₁ составляет от неск. мкм до неск. сотен мкм, а 2а₂ - от неск. десятков до примерно тысячи мкм.

Величины 2a ₁ и п₁- п₂ определяют число типов волн (мод), к-рые могут распространяться по С. при заданной длине волны света . Выбирая 2а₁ и n₁ - n₂ достаточно малыми, можно добиться, чтобы С. работал в одномодовом режиме.

Волоконные С. находят широкое применение в системах оптической связи, в датчиках разл. физ. полей, в вычислит. технике, для канализации мощного лазерного излучения для медицинских и технол. целей и т.д.

Характеристики волоконных световодов. Важнейшими характеристиками С., предназначенных для подобных применений, являются оптич. потери, дисперсия (Дисперсия волн — в физике зависимость фазовой скорости волны от её частоты) групповой скорости, оптич. нелинейность и механич. прочность. В 70-х гг. 20 в. созданы волоконные С. на основе кварцевого стекла с затуханием сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК-области спектра. Типичный спектр оптических потерь в таких С. представлен на рис. 2, а. Минимально возможные потери составляют 0,16 дБ/км на волне 1,55 мкм. Материалом для таких С. служит кварцевое стекло; различия показателей преломления сердцевины и оболочки достигают легированием стекла (напр., фтором, германием, фосфором).

Др. важной характеристикой одномодовых волоконных С., широко применяемых в системах оптич. связи, является дисперсия групповой скорости. На рис. 2, б представлен спектр дисперсии С. на основе кварцевого стекла. Видно, что кривая дисперсии проходит через 0 вблизи мкм. Это означает, что именно в этой спектральной области информац. полоса пропускания одномодовых волоконных С. на основе кварцевого стекла максимальна и составляет 10¹¹ Гц*км.

Сердечник. Волноводные моды. Элементы волновой теории световодов;

Волнова́я тео́рия све́та — теория, объясняющая природу света. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна, от длины которой зависит цвет видимого нами света.

Теория подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

Теория берёт своё начало от Гюйгенса. Она рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты - как результат интерференции этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвав в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете как волне позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию).

Основы теории передачи по ВОЛС.

Свет представляет собой один из видов электромагнитной энергии, также как радиоволны, теле-, радио- и радиолокационные сигналы. Электромагнитные волны (рис. 3.1) представляют собой переменные магнитные и электрические поля, перпендикулярные друг другу и направлению распространения (рис. 3.1). Рис. 3.1 Электромагнитная волна Главное отличие различных электромагнитных волн заключается в их частоте или длине волны. Частота определяется числом синусоидальных колебаний за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны - это расстояние между идентичными точками двух последовательных волн (или расстояние, которое проходит волна за один цикл колебаний). Длина волны и частота взаимосвязаны. Длина волны (λ) равна скорости волны (ν), деленной на ее частоту (f): λ=ν/f Волны оптического диапазона можно разделить на три больших группы: инфракрасные, видимый свет с длинами волн от приблизительно 400 до 700 нм, и ультрафиолетовые. Длина волны, используемая в волоконной оптике, соответствует характеристикам передачи конкретного волокна. Большинство оптических волокон используют кварцевое стекло, которое наиболее прозрачно в ближней инфракрасной зоне, от 700 до 1600 нм. Пластиковые волокна лучше всего работают в видимой зоне. Оценим ширину полосы оптического диапазона от λ1 = 750 нм до λ2 = 860 нм (приблизительно первое окно прозрачности). Зная скорость света с = 3*10 8 м/с, получим соответственно f1 = 4*1014 Гц = 400 ТГц и f2 = 350 ТГц. Следовательно, частотный интервал ΔF=50 ТГц. Для сравнения: весь диапазон частот - от звукового диапазона до верхней частоты СВЧ диапазона составляет только 30 ГГц, то есть в 1600 раз меньше оптического. Число ТВ каналов, которое умещается в этом частотном интервале, составит m = 5*106. Это говорит о колоссальной емкости оптического волокна. Электромагнитная природа оптического (светового) излучения означает, что строгое исследование процесса распространения световых волн в ОВ может быть выполнено лишь на основе уравнений электродинамики (уравнений Максвелла). Это сложная задача даже при рассмотрении простейших ОВ. Поэтому процесс распространения световых волн рассмотрим методами геометрической оптики, которые отличаются простотой и наглядностью. Известно, что в геометрической оптике световые волны изображают лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух оптически прозрачных диэлектриков в общем случае появляются отраженная и преломленная (прошедшая) волны. В соответствии с законами Снеллиуса угол падения φ связан с углами отражения φотр, преломления φпр (рис. 3.2, а) следующими соотношениями: φ= φотр, n1sinφ = n2sinφnp, (3.1) где n1 и n2 - показатели преломления смежных сред. Рис. 3.2 Пояснение волновых процессов на границе двух сред при n1 > n2

Если n1 > n2, т.е. световая волна падает из оптически более плотной среды на границу раздела с оптически менее плотной средой, то, согласно (3.1), всегда существует критический (предельный) угол падения φ = φкр, при котором φпр= π/2, т.е. преломленная волна распространяется вдоль границы раздела сред: sinφкр= n2/n1, φкр= arcsin(n2/n1). Предельный режим показан на рисунке 3.2, б. При всех углах падения φ > φкр преломленная волна отсутствует, и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды (рис. 3.2, в). Это явление называется полным внутренним отражением. Таким образом, как фактически распространяется свет по ОВ, лучше всего объяснить, используя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упрощенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор, пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела.

Аналогтық байланыс жүйесі, Е1, E2, E3, E4, E5 технологиялары, асинхронды байланыс

Все средства связи, которые на сегодняшний день используются в мире, основаны на передаче электрического тока из одной точки в другую. Как работа в сети Internet, так и разговор с другом по телефону обеспечиваются за счет постоянного протекания тока по оборудованию телекоммуникационной инфраструктуры. По каналам связи могут передаваться различные типы сигналов. В этой книге рассматриваются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые. Некоторые виды физической передающей среды, как, например, волоконно-оптический кабель, используются для передачи данных в сети провайдера в виде световых сигналов. Принципы цифровой передачи для такой среды такие же, однако для ее организации используются лазеры и светодиоды.

Аналоговые и цифровые сигналы коренным образом отличаются друг от друга. Условно можно сказать, что они находятся на разных концах одного и того же спектра. Из-за таких существенных различий между двумя типами сигналов для организации "моста" между ними приходится использовать промежуточные устройства, наподобие цифро-аналоговых преобразователей (они рассматриваются ниже в текущей главе).

Основное различие между аналоговыми и цифровыми сигналами заключается в самой структуре сигнального потока. Аналоговые сигналы представляют собой непрерывный поток, характеризующийся изменениями частоты и амплитуды. Это означает, что форма аналогового сигнала обычно похожа на синусоиду (т.е. гармоническую волну), представленную на рис. 1.2. Зачастую на иллюстрациях, изображающих гармоническую волну, весь сигнал характеризуется одним и тем же соотношением частоты и амплитуды, однако при графическом представлении сложной волны видно, что такое соотношение изменяется в зависимости от частоты.

Цифровым сигналам соответствуют дискретные электрические значения, которые передаются индивидуально по некоторой физической передающей среде. В отличие от аналоговых сигналов, в которых количество возможных значений амплитуды почти бесконечно, для цифровых сигналов она может принимать одно из двух (или четырех) различных значений — как положительных, так и отрицательных. Цифровые сигналы передаются в виде единиц и нулей, которые обычно называют двоичными. Более подробно потоки цифровых сигналов рассматриваются в главе 3, "Аналого-цифровое преобразование".

Как и в любой другой технологии, для описания аналоговых сигналов используются базовые концепции и собственная терминология. Непрерывные аналоговые сигналы имеют три основные характеристики:

• амплитуду;

• длину волны;

• частоту.

Канал Е1 объединяет 32 цифровых канала DS0 (Digital Signal 0), один из которых используется для кадровой синхронизации, другой для передачи сигнализации (под сигнализацией, здесь понимается служебная информация, необходимая сетевым элементам, для выполнения их функций, например, установка и отбой телефонных соединений). Кадр этого потока состоит из 32 тайм-слотов по 8 бит каждый. Частота следования кадров 8 КГц, что дает скорость потока 32×8 × 8 = 2048 Кбит/сек.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: