Дисперсійні властивості світловодів

Вид дисперсії	Фізична причина дисперсії	Значення дисперсії, нс/км
Східчастий профіль	Градієнтний профіль
Багатомодове волокно	Одномодове волокно
Модова (хвильова)	Фазова швидкість моди залежить від частоти (довжини хвилі)	Мале значення	Можлива взаємна компенсація з матеріальною	Мале значення
Матеріальна	Показник заломленя світловоду залежить від частоти	2-5	1-3	0,1-2
Міжмодова	Різні моди мають різні групові швидкості поширення	20-50	-	0,1-0,3 (лазер); 2-4 (світлодіод)

За відомими параметрами світловоду та властивостями матеріалу осердя можна обчислити кожну з наведених у табл. 11.2 дисперсій. Але однорідні властивості та профіль світловоду на всій його довжині технологічно витри­мати важко, тому розрахункові значення значно відрізняються від експери­ментальних. Для визначення дисперсії необхідно користуватись табл.11.2 чи паспортними даними конкретного світловоду.

Для розрахунків дисперсії сигналу у світловоді будь-якої довжини слід використовувати вираз

, (11.9)

де - дисперсія сигналу у світловоді завдовжки ; - показник залеж­ності дисперсії від довжини. Теоретичне значення , а на практиці . При розрахунках для багатомодового світловоду рекомен­довано брати , для градієнтного та одномодового світловодів .

Смуга пропускання світловоду та його дисперсія пов'язані тим самим виразом (2.38), що і тривалість імпульсу та ширина його спектра: для радіо (світлової) частоти

, (11.10)

для відеочастоти (для первинних модулюючих сигналів)

. (11.11)

Таким чином, далекість передавання волокносвітловодами лімітується не тільки ослабленням сигналу, але і його дисперсією. Як правило, у багато­модових світловодах обмежуючим фактором є дисперсія сигналу, в градієнт­них та одномодових - ослаблення.

10.3. ЕЛЕМЕНТИ ВОЛОКНООПТИЧНИХ ЛІНІЙ ЗВ'ЯЗКУ

Волокнооптичною лінією зв'язку (ВОЛЗ) називають сукупність оптичних елементів, що забезпечують передавання електричних сигналів (інформації) волокносвітловодами. Нині ВОЛЗ передаються в основному широкосмугові сигнали багатоканального зв'язку. Структура ВОЛЗ (рис. 11.6) крім оптично­го кабелю містить джерело світла, оптичні модулятор та детектор, приймач світлового променя, ретранслятори оптичних сигналів. Дамо коротку харак­теристику елементів ВОЛЗ.

Світловодні (оптичні) кабелі. Під час виготовлення оптичного кабелю окремі світловоди комплектуються в пучки різної конструкції (вільна чи зв'язана укладки; повивальна скрутка, із фігурним осердям, стрічкового типу тощо). Підвищення фізико-механічних властивостей кабелю та захисту його від зовнішніх дій досягається застосуванням міцного покриття окремих волокон, їхніх жгутів та всього кабелю, зміцненням силовими елементами.

За призначенням оптичні кабелі можна поділити на міжміські, міські, об'єктні, підводні та монтажні. Вони різко відрізняються за конструкцією та параметрами, але загальними якостями для них є малогабаритність, гнучкість, відсутність кольорових металів, висока захищеність від зовнішніх електромагнітних полів. Оптичний кабель може містити до 200 волокон.

Джерела світлового випромінювання. Як джерела світла для ВОЛЗ нині застосовують лазери та напівпровідникові світловипромінюючі діоди (СВД).

Лазер являє собою оптичний квантовий генератор, що генерує когерент­ні коливання з частотою 10¹⁴ – 10¹⁵ Гц. Принцип його дії заснований на явищі переходу електронів атома з верхнього енергетичного рівня на нижній. Під час такого переходу енергія випромінюється у вигляді фотонів.

Світловипромінюючий діод являє собою некогерентне джерело світла у вузькій смузі частот. Фізичною основою роботи СВД є інжекторна електро­люмінесценція в напівпровіднику з p-n- переходом. Якщо до СВД прикладе­на напруга в прямому напрямку, то електрони переміщуються з n- області р- область. У разі взаємодії електрона з "діркою" відбувається випромінювання кванта світла (фотона).

Сучасними СВД можна одержати ширину смуги модуляції до 500 МГц, лазерами - до 1 ГГц, у перспективі очікується досягнення смуги частот, що передаються СВД, до 1 ГГц, лазерами - до 5 ГГц.

Модуляція світла. Під час модуляції оптичного переносника змінюється якийсь із його параметрів: амплітуда, частота чи фаза. Застосовується також модуляція за інтенсивністю (ІМ), при якій пропорційно модулюючому сигналу змінюється квадрат амплітуди, тобто інтенсивність. Розроблені різні оптичні модулятори, що дає змогу формувати перелічені вище види модуляції.

У СВД та напівпровідникових лазерах для ІМ не потрібно застосовувати спеціальні зовнішні модулятори. Напруга зміщення керує інжекцією елект­ронів через p-n-перехід, і при цьому в широких межах змінюється інтенсивність вихідного випромінювання (рис. 11.7).

Проте отримати лінійні модуляційні характеристики в оптичних модуля­торах досить важко. Та й при аналогових модуляціях необхідна також висока лінійність ретрансляторів, тому у ВОЛЗ застосовуються в основному дискре­тні методи модуляції: амплітудна (АМ-2) та поляризаційна (ПМ-2) маніпуля­ції. Нагадаємо, що в ПМ-2 змінюється поляризація світлової хвилі.

Враховуючи переваги дискретних видів модуляції, у ВОЛЗ аналогові первинні сигнали передаються або цифровими методами (ІКМ, ДІКМ, ДМ), або імпульсними видами модуляції (ФІМ чи її окремим різновидом ПІМ -позиційно-імпульсною модуляцією, за якої модульований імпульс приймає не неперервні, а дискретні значення фази).

Приймач випромінювання. Як приймач світлового променя і водночас його детектор у ВОЛЗ звичайно застосовують фотодіод, електричні власти­вості якого змінюються під дією фотонів світла, що попадають на нього. Застосовуються в основному фотодіоди типу p-i-n та лавинні.

У фотодіоді типу р-і-n фотони із світловоду надходять до тонкого шару р і проникають крізь нього в область i, де утворюють пари електрон - "дірка". Зовнішня висока напруга, що прикладена до р- та n- областей, зміщує утворені заряди до меж області, чим забезпечує проходження стру­му в зовнішньому колі. Цей струм пропор­ційний інтенсивності променя світла, що попадає на фотодіод, і, відповідно, величині модулюючого сигналу. Максимальне зна­чення струму для сучасних діодів не пере­вищує кількох наноампер, і тому при його підсилені з'являється шум.

Кращі характеристики має лавинний фотодіод. Принцип його дії базується на тому, що утворені фотонами світла електро­ни та "дірки", коли вони проходять ділянку сильного, спеціально для цього утвореного електромагнітного поля, за рахунок ударної іонізації утворюють пари носіїв зарядів. Отже, тут має місце лавинне розмноження носіїв зарядів. Цим підвищується чутливість фотодіода. Нині вже досягнуті чутливість лавинних фотодіодів 0,7 А/Вт та швидкодія 10^-9 – 10^-11 с.

Побудова світловодної системи передачі. Структурна схема світловодної системи передачі загалом не відрізняється від схем передачі сигналів кабель­ними, радіорелейними, супутниковими лініями зв'язку (див., наприклад, рис. 1.1). Канал зв'язку створюється стандартною апаратурою формування та приймання електричних сигналів. Різниця тільки в тому, що як лінія зв'язку застосовується ВОЛЗ, до складу якої входять на передавальній стороні пере­творювач електричного сигналу в оптичний ЕОП та зворотний перетворювач оптичного сигналу в електричний ОЕП на приймальній стороні (див. рис. 11.6). Оскільки ослаблення оптичного кабелю менше за ослаблення коаксіального, то оптичні системи передачі мають меншу кількість ретрансляторів.

10.4. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ВОЛЗ

Порівняно з кабельними лініями ВОЛЗ мають ряд істотних переваг, що дає можливість застосовувати їх не тільки в системах зв'язку, але й в ЕОМ, літальних апаратах, мобільних системах тощо. Основні переваги та особли­вості ВОЛЗ такі:

нечутливість до зовнішніх електромагнітних полів, звідси абсолютна за­хищеність від електричних завад ліній електропередач, блукаючих струмів тощо;

відсутність кольорових металів (міді, свинцю);

малі маса та габарити всіх елементів (світловодного кабелю, передавача та приймача, регенераторів), уже досягнуто зменшення маси порівняно з електричним кабелем більш ніж у десять разів;

значно більша широкосмуговість і відповідно пропускна здатність;

повна електрична ізоляція між входом та виходом, відсутність коротких замикань, що дає змогу застосовувати оптичний кабель у місцях зосереджен­ня вогненебезпечних матеріалів;

менше ослаблення сигналу.

Економічне порівняння ВОЛЗ та існуючих кабельних ліній нині є досить умовним. Справа в тому, що вартість електричних кабелів постійно підвищу­ється внаслідок дефіциту міді та свинцю, а також збільшення енергетичних витрат на здобування кольорових металів. Вартість же виготовлення волокносвітловодів постійно зменшується. Вважається, що вони мають потенційно малу вартість.

Нині час оптичні кабелі вже широко застосовуються для міського, при­міського та зонового зв'язків, почалось упровадження їх і в магістральні мережі. Темпи розвитку ВОЛЗ продовжують зростати. Це пов'язано не тільки з вдосконаленням технології виготовлення кабелю, але й з успіхами в інтегральній оптиці. Очікується, що до 2000 р. майже всі нові лінії зв'язку будуть волокнооптичними. Можна стверджувати, що широке застосовування ВОЛЗ може дати такий самий значний техніко-економічний ефект, який свого часу дав перехід від електронних ламп до транзисторів та мікросхем.