Многомодовое оптическое волокно

Курсовая работа по дисциплине: Сети ЭВМ и телекоммуникации на тему: Многомодовое оптическое волокно

Реферат

Объектом исследования данного курсового проекта является многомодовое оптическое волокно. В курсовом проекте рассмотрены основные характеристики оптического волокна, область его применения и свойства. Цель работы состоит в разработке программы засчитывающей модовую дисперсию оптического волокна исходя из характеристик используемого волокна.

Оптоволоконный кабель со стеклянным сердечником, по которому передаются световые импульсы, начинает приобретать все большую популярность. В силу того, что оптоволоконный кабель использует свет (фотоны) вместо электричества, почти все проблемы, присущие медному кабелю, такие как электромагнитные помехи, перекрестные помехи (переходное затухание) и необходимость заземления, полностью устраняются.

В основе оптической передачи лежит эффект полного внутреннего отражения луча, падающего на границу двух сред с различными показателями преломления. Световод представляет собой тонкий двухслойный стеклянный стержень, у которого показатель преломления внутреннего слоя больше, чем наружного. Световод, управляемый источник света и фотодетектор образуют канал оптической передачи информации, протяженность которого может достигать десятков километров. Световоды пропускают свет с длиной волны 0,4−3 мкм (400−3000 нм), но пока практически используется только диапазон 600−1600 нм (часть видимого спектра и инфракрасного диапазона). История оптоволоконной передачи началась с коротковолновых (около 800 нм) систем. По мере совершенствования технологий производства излучателей и приемников уходят в сторону более длинных волн — через 1300 и 1500 к 2800 нм, передача которых может быть эффективнее. Высокая частота электромагнитных колебаний этого диапазона (1013−1014 Гц) дает потенциальную возможность достижения скорости передачи информации вплоть до терабит в секунду. Реально достижимый предел скорости определяется существующими источниками и приемниками сигналов — в настоящее время освоены скорости до нескольких гигабит в секунду.

1. Многомодовое оптическое волокно

1.1 Структура оптического волокна. Устройство световода

Устройство световода иллюстрирует рис. 1. Внутренняя часть световода называется сердцевиной, которая представляет собой нить из стекла или пластика, внешняя — оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой являющаяся специальным покрытием сердцевины, отражающим свет от ее краев к центру.

В зависимости от траектории распространения света различают одномодовое и многомодовое волокно. Многомодовое (многочастотное) волокно (MMF — Multi Mode Fiber) имеет довольно большой диаметр сердцевины — 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм или 100 мкм пои оболочке 140 мкм. Одномодовое (одночастотное) волокно (SMF — Single Mode Fiber) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет пластиковое защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защитной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием называется оптическим волокном.

Рис. 1. Оптоволокно в буфере: а — одномодовое, б — многомодовое, 1 — сердцевина, 2 — оптическая оболочка, 3 — защитное покрытие, 4 — буфер (необязательный).

Оптоволокно в первую очередь характеризуется диаметрами сердцевины и оболочки, эти размеры в микрометрах записываются через дробь: 50/125, 62,5/125, 100/140, 8/125, 9,5/125 мкм. Наружный диаметр волокна (с покрытием) тоже стандартизован, в телекоммуникациях в основном используются волокна с диаметром 250 мкм. Применяются также и волокна с буферным покрытием или просто буфером, диаметром 900 мкм, нанесенным на первичное 250-мкм покрытие.

Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 — 1016 Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50 000 Гбит/c).

1.2 Одномодовое и многомодовое волокна

Как уже отмечалось, существует два типа оптоволоконного кабеля: одномодовый и многомодовый. Основное отличие между ними заключается в толщине сердечника и оболочки. Одномодовый световод обычно имеет толщину порядка 8/125 микрон, а многомодовое волокно 50/125 микрон. Эти значения соответствуют диаметру сердечника и диаметру вместе взятых: сердечника и оболочки.

Световой луч, распространяющийся по сравнительно тонкому сердечнику одномодового кабеля, отражается от оболочки не так часто, как это происходит в более толстом сердечнике многомодового кабеля. Для передачи данных в последнем применяется полихромный (многочастотный) свет, а в одномодовом используется свет только одной частоты (монохромное излучение), отсюда они и получили свои названия. Сигнал, передаваемый одномодовым кабелем, генерируется с помощью лазера, и представляет собой волну, естественно, одной длины, в то время как многомодовые сигналы, генерируемые светодиодом (LED — Light Emitted Diode), переносят волны различной длины. В одномодовом кабеле затухания сигнала (потери мощности сигнала) практически исключены. Это и ряд выше перечисленных качеств позволяют одномодовому кабелю функционировать с большей пропускной способностью по сравнению с многомодовым кабелем и преодолевать расстояния в 50 раз длиннее.

С другой стороны, одномодовый кабель намного дороже и имеет сравнительно большой радиус изгиба по сравнению с многомодовым оптическим кабелем, что делает работу с ним неудобной. Большинство оптоволоконных сетей используют многомодовый кабель, который хотя и уступает по производительности одномодовому кабелю, но зато значительно эффективней, чем медный. Телефонные компании и кабельное телевидение, тем не менее, стремятся применять одномодовый кабель, так как он может передавать большее количество данных и на более длинные дистанции.

1.3 Режимы прохождения луча

Распространение света в волокне иллюстрирует рис. 2. Для того чтобы луч распространялся вдоль световода, он должен входить в него под углом не более критического относительно оси волокна, то есть попадать в воображаемый входной конус. Синус этого критического угла называется числовой апертурой световода NA.

Рис. 2. Ввод света в оптоволокно: 1 — входной косинус, 2 — осевая мода, 3 — мода низкого порядка, 4 — мода высокого порядка, 5 — критический угол.

В многомодовом волокне показатели преломления сердцевины и оболочки различаются всего на 1−1,5% (например, 1,515:1,50) При этом апертура NA — 0,2−0,3, и угол, под которым луч может войти в световод, не превышает 12−18° от оси. В одномодовом же волокне показатели преломления различаются еще меньше (1,505:1,50), апертура NA — 0,122 и угол не превышает 7° от оси. Чем больше апертура, тем легче ввести луч в волокно, но при этом увеличивается модовая дисперсия и сужается полоса пропускания.

Числовая апертура характеризует все компоненты оптического канала — световоды, источники и приемники излучения. Для минимизации потерь энергии апертуры соединяемых элементов должны быть согласованными друг с другом.

Строго говоря, распространение сигнала в оптоволокне описывается уравнениями Максвелла. Если рассматривать распространение сигнала с позиций геометрической оптики, то световые лучи, входящие под различными углами, будут распространяться по различным траекториям (рис. 3). Более высоким модам соответствуют лучи, входящие под большим углом, они будут иметь большее число внутренних отражений по пути в световоде и будут проходить более длинный путь. Число мод для конкретного световода зависит от его конструкции: показателей преломления и диаметров сердцевины и оболочки, а также и длины волны.

Рис. 3. Распространение волн в сыетоводах: а — одномодовом, б — многомодовом со ступенчатым профилем, в — многомодовом с градиентным профилем, 1 — профиль показателя приломления, 2 — входной импульс, 3 — выходой импульс.

Световой импульс, проходя по волокну, из-за явления дисперсии изменит свою форму — «размажется». Различают несколько видов дисперсии: модовая, материальная и волновая. Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Волновая дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

1.4 Источники и приемники излучения

В качестве источников излучения используются светодиоды и полупроводниковые лазеры. Светодиоды (LED — Light Emitted Diode) являются некогерентными источниками, генерирующими излучение в некоторой непрерывной области спектра шириной 30−50 нм. Из-за значительной ширины диаграммы направленности их применяют только при работе с многомодовым волокном. Самые дешевые излучатели работают в диапазоне волн 850 нм (с них началась волоконная связь). Передача на более длинных волнах эффективнее, но технология изготовления излучателей на 1300 нм сложнее и они дороже.

Лазеры являются когерентными источниками, обладающими узкой спектральной шириной излучения (1−3 нм, в идеале — монохромные). Лазер дает узконаправленный луч, необходимый для одномодового волокна. Длина волны — 1300 или 1550 нм, осваиваются и более длинноволновые диапазоны. Быстродействие выше, чем у светодиодов. Лазер менее долговечен, чем светодиод, и более сложен в управлении. Мощность излучения сильно зависит от температуры, поэтому приходится применять обратную связь для регулировки тока. Лазерный источник чувствителен к обратным отражениям: отраженный луч, попадая в оптическую резонансную систему лазера, в зависимости от сдвига фаз может вызвать как ослабление, так и усиление выходного сигнала. Нестабильность уровня сигнала может приводить к неработоспособности соединения, поэтому требования к величине обратных отражений в линии для лазерных источников гораздо жестче. Лазерные источники применяются и для работы с многомодовым волокном (например, в технологии Gigabit Ethernet 1000Base-LX).

На основе излучателей и детекторов выпускают готовые компоненты — передатчики, приемники и приемопередатчики. Эти компоненты имеют внешний электрический интерфейс ТТЛ или ЭСЛ. Оптический интерфейс — коннектор определенного типа, который часто устанавливают на отрезок волокна, приклеенный непосредственно к кристаллу излучателя или детектора.

Передатчик (transmitter) представляет собой излучатель со схемой управления. Основными оптическими параметрами передатчика являются выходная мощность, длина волны, спектральная ширина, быстродействие и долговечность. Мощность передатчиков указывают для конкретных типов волокон (чтобы в расчетах не учитывать диаграмму направленности, диаметр и апертуру излучателя).

Приемник (receiver) — это детектор с усилителем-формирователем. Приемник характеризуется диапазоном принимаемых волн, чувствительностью, динамическим диапазоном и быстродействием (полосой пропускания).

Поскольку в сетях всегда используется двунаправленная связь, выпускают и трансиверы (transceiver) — сборку передатчика и приемника с согласованными параметрами.

1.5 Оптический модулятор, работающий на эффекте Керра и эффекте Поккельса

Конструктивно модуляторы света могут располагаться как вне источника света в виде самостоятельного устройства, так и внутри резонатора, являясь составным элементом источника света. В первом случае управление параметрами излучения осуществляется после выхода луча из резонатора источника света, во втором случае — в процессе формирования луча в резонаторе.

По принципу действия модуляторы классифицируются по применяемому в них физическому эффекту. Так, в настоящее время разработаны модуляторы света на основе электро-, магнитои акустооптического эффектов, эффекта Франца — Келдыша (сдвиг края полосы пропускания в полупроводниках), а также эффектов на основе расщепления спектральных линий под действием магнитного или электрического полей. Однако широкое практическое использование находят модуляторы на основе электрои акустооптического эффектов.

Явление, на котором основано действие электрических модуляторов, связано с изменением показателя преломления вещества под действием приложенного электрического поля. В общем случае этот эффект является анизотропным и имеет как линейную составляющую (эффект Поккельса), так и нелинейную (эффект Керра).

Керра ячейка — электрооптическое устройство, основанное на эффекте Керра, применяемое в качестве оптического затвора или модулятора света. Является наиболее быстродействующим устройством для управления интенсивностью светового потока (скорость срабатывания 10−9-10−12 сек). Керра ячейка состоит из сосуда с прозрачными окнами, заполненного жидкостью, в которой имеет место эффект Кера. В жидкость погружены два электрода, образующие плоский конденсатор. Между электродами проходит световой луч. Сосуд помещается между поляризатором и анализатором света, находящимися в скрещенном положении. Направление электрического поля Е в конденсаторе составляет угол 45° с направлениями электрического поля поляризованных световых колебаний. В отсутствии электрического поля анализатор не пропускает света. При включении электрического поля в жидкости возникает Двойное лучепреломление. В результате этого Керра ячейка становится прозрачной для проходящего света.

Поккельса эффект, линейный электрооптический эффект, изменение преломления показателя света в кристаллах, помещенных в электрическое поле, пропорциональное напряжённости электрического поля. Поккельса эффект наблюдается только у пьезоэлектриков. Был обнаружен в 1894 немецким физиком Ф. Поккельсом (F. С. Pockels), после чего в течение длительного времени исследовался мало и находил ограниченное применение. Главная причина — высокие электрические напряжения (десятки и сотни Кв) для получения заметного эффекта.

Появление лазеров стимулировало исследования Поккельса эффекта. На основе Поккельса эффекта разработан ряд устройств для электрического управления когерентным оптическим излучением. Почти все созданные модуляторы света основаны на Поккельса эффекте. Важное свойство Поккельса эффекта — малая инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию света до частот ~1013 гц. Кроме того, из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряжённостью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики. Малая инерционность позволяет использовать Поккельса эффект для модуляции добротности лазеров, с помощью которой получают гигантские по мощности световые импульсы малой длительности.

2. Программа расчета модовой дисперсии оптического волокна

оптический волокно многомодовый излучение

Каждый оптоволоконный кабель обладает базовыми характеристиками, такими как удельная хроматическая дисперсия и коэффициент поляризационной модовой дисперсии.

Хроматическая дисперсия равна произведению удельной хроматической дисперсии на длинну кабеля.

Поляризационная модовая дисперсия равна произведению коэффициента поляризационной модовой дисперсии на квадратный корень длинны кабеля.

Результирующая дисперсия представляет собой квадратный корень суммы квадратов хроматической дисперсии и поляризационной модовой дисперсии.

В качестве инструмента написания программы была выбрана программа MS Visual Studio 2010 и язык программирования C#.

Рис. 4. Рабочее окно программы Исходный код функции, выполняющей расчет:

private void btnCount_Click (object sender, EventArgs e){

try{

double Chr, Pmd, Res;

Chr = Convert. ToDouble (txtD.Text) * Convert. ToDouble (txtL.Text);

Pmd = Convert. ToDouble (txtT.Text) * Math. Sqrt (Convert.ToDouble (txtL.Text));

Res = Math. Sqrt (Math.Pow (Chr, 2) + Math. Pow (Pmd, 2));

txtChr.Text = Math. Round (Chr, 2).ToString ();

txtPmd.Text = Math. Round (Pmd, 2).ToString ();

txtRes.Text = Math. Round (Res, 2).ToString ();

}

catch{

MessageBox.Show («Ошибка ввода данных», «Ошибка», MessageBoxButtons. OK, MessageBoxIcon. Error);

txtL.Text = «1» ;

txtD.Text = «17,5» ;

txtT.Text = «0,5» ;

}

}

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы была подробно изучена одна из нескольких разновидностей сетевого кабеля: многомодовое оптическое волокно.

Таким образом, изучив сетевые технологии оптического волокна была разработана программа для расчета модовой дисперсии.

Оптоволоконный кабель приобретает большую популярность, чем медный кабель. В силу того, что оптоволоконный кабель использует свет (фотоны) вместо электричества, почти все проблемы, присущие медному кабелю, такие как электромагнитные помехи, перекрестные помехи (переходное затухание) и необходимость заземления, полностью устраняются.

Список использованных источников

1. М. Гук, «Аппаратные средства локальных сетей»

2. Дж. Стерлинг, «Техническое руководство по волоконной оптике»

3. В. Г. Олифер, «Компьютерные сети»