Средство оптический связи

Аналогичный по устройству коннектору FC, коннектор D4 разработан японской компанией NEC для использования в многомодовых и одномодовых световодах.

Из большого разнообразия многоволоконных коннекторов необходимо дуплексные коннекторы, которые предназначены для одновременного подсоединения двух волокон к приемопередатчику. В этих коннекторах используются те же втулки и муфты, что и в одиночных коннекторах, только они располагаются в специальном корпусе.



Лекция 11

1. Основные принципы проектирования и эксплуатационно-технического обслуживания ВОЛС

Требования к ВОЛС. Проектирование систем волоконно-оптической связи следует начинать с определения предъявляемых к системе требований, что определит в дальнейшем сам процесс проектирования, техническую эффективность и экономическую целесообразность принятых решений.

К общим требованиям к системам относятся:

- заданный объем передаваемой информации. Это требование характеризуется необходимой полосой пропускания системы, скоростью передачи информации, числом эквивалентных стандартных каналов тональной частоты;

- тип передаваемой информации: цифровой или аналоговый;

- помехозащищенность системы. Это требование задается отношением сигнал-шум на входе оптического премника либо вероятноятью ошибки при передаче цифровой информации;

- расстояние между оконечными устройствами или терминалами, количество и характеристики терминалов;

- условия прокладки (строительства) и эксплуатации системы;

- требования к массо-габаритным и стомостным характеристикам, надежности системы.

Кроме этих основных требований при проектировании необходимо учитывать воздействие на системы таких внешних факторов, как физический и химический состав окружающей среды, наличие электромагнитных и радиационных воздействий и т.д. Учет совокупности всех перечисленных факторов делает процесс проектирования ВОЛС довольно сложным, допускающим получение неоднозначного решения, когда выбор окончательного варианта определится конкретными условиями применения.

Последовательность проектирования. Разработке проекта строительства ВОЛС должны предшествовать изыскательские работы с выездом на место строительства зданий, НРП и трассу прокладки кабеля. Цель изыскательских работ - подробное изучение условий, в которых будет осуществляться строительство и эксплуатация сооружений.

Изыскательские работы подразделяются на два вида - экономические и технические.

Экономические изыскания проводятся с целью изучения экономики района строительства, выявления состояния и перспективных потребностей в развитии средств связи. Технические инженерные изыскания проводятся для изучения природных условий будущего строительства и ознакомления с трассой прокладки кабеля и местами строительства зданий и регенерационных пунктов. Для этого в проектных институтах создаются специальные структурные подразделения - изыскательные партии и отряды специалистов.

Проектирование начинают с изучения поставленных требований к ВОЛС и анализа имеющейся в распоряжении разработчика элементной базы. Затем выбирают топологию построения ВОЛС, которая определяется ее назначением, числом терминалов, перспективами дальнейшего развития и модификации.

Важнейшим этапом проектирования является выбор волоконно-оптической системы передачи и типа оптического кабеля, а также системы электропитания ВОЛС.

Следующий этап заключается в обоснованном выборе элементной базы ВОЛС. Здесь определяют, может ли ширина полосы пропускания выбранного ОК в совокупности с источником излучения обеспечить требуемую широкополосность (скорость передачи информации) при данном расстоянии между оконечными устройствами, известной чувствительности оптического приемника и заданной вероятности ошибки. Рассчитывают длину усилительного участка, число ретрансляторов в системе. Выбирают пространственное (по различным световодам), временное или спектральное уплотнение сигналов, вид модуляции.

При выборе элементной базы ВОЛС следует проводить экономические оценки системы, связанные с определением удельной стоимости каждого типа элементов в общей сумме затрат на систему. Это позволит определить, что обуславливает основные затраты в системе: кабель, оконечные устройства, ретрансляторы и т.д. Например, в большинстве ВОЛС расход на приобретение и прокладку оптического кабеля является основной частью стоимости всей системы. В этом случае целесообразно проложить кабель с возможно низким затуханием и широкой полосой частот в расчете на возможность его использования при развитии системы, когда с ростом объема передаваемой информации достаточно будет только наращивать оконечное оборудование без замены ОК.

Желательно рассмотреть несколько вариантов построения ВОЛС, отличающихся элементной базой, используемым оптическим диапазоном, типом модуляции сигналов, принципами организации связи.

После выполнения приближенного инженерного расчета различных вариантов системы связи, следующий этап заключается в определении реакции системы на некоторое отклонение параметров ее структурных элементов. В результате находят пределы допусков на технические характеристики элементов ВОЛС.

Затем рассматривают ряд системных требований, связанных с условиями прокладки, монтажа и эксплуатации ВОЛС, которые определяют возможные варианты конструктивного оформления ОК, приемных и передающих модулей, а также других структурных элементов, способы электропитания системы.

Выбор элементной базы и топологии ВОЛС может определиться и требованиями к надежности систем, поэтому при проектировании целесообразно установить наиболее уязвимые, с точки зрения надежности, звенья оптических и электрических частей систем и проработать вопросы их резервирования, облегчения условий эксплуатации и т.д.

На следующем этапе выполняют технико-экономический расчет рассмотренных вариантов ВОЛС для их сравнения и выбора наиболее эффективного. В действительности достичь оптиманого варианта ВОЛС очнь трудно из-за ограниченности в настоящее время элементной базы систем, постоянного существенного прогресса в создании новых элементов оптических систем, их быстрого морального старения, а также трудностей полного удовлетворения всему многообразию требований, предъявляемых к системе связи. Поэтому лучшим вариантом будет тот, который более гибкий и приспособлен к изменению элементной базы на период времени эксплуатации системы.

Стадии проектирования. Процесс проектирования, как правило, состоит из задания на проектирование и собственно проекта. Проект может разрабатываться в две или одну стадии. При двухстадийном проектировании вначале разрабатывается технический проект (техпроект), в котором излагаются все основные технические решения и определяется стоимость строительства сооружения, а после его утверждения разрабатываются рабочие чертежи. Такие проекты создаются для технически сложных и крупных объектов с применением новой неоснованной техники. В случае одностадийного проектирования сразу разрабатывается технорабочий проект, включающий все основные решения технического проекта и рабочие чертежи.

Эксплуатационно-техническое обслуживание ВОЛС

К эксплуатационно-техническому обслуживанию ВОЛС относятся:

- охрана;

- техническое обслуживание и профилактика;

- контроль за техническим состоянием;

- ремонт;

- аварийно-восстановительные работы;

- реконструкция;

- измерение параметров;

- защита от внешних влияний и коррозии;

- содеожание под избыточным газовым давлением.

Охрана ВОЛС осуществляется с целью предупреждения механических повреждений ОК при проведении строительных и змляных работ в пределах трассы линии связи. Наибольший эффект в этой работе дают профилактические мероприятия, включающие следующие виды работ: систематический контроль за состоянием ВОЛС, разъяснительная работа на предприятиях, строительных организациях и среди населения о важности выполнения правил по защите линии связи от повреждений, согласование на работы в охранных зонах ВОЛС, инспектирование и надзор за работами, проводимыми в этих зонах.

Техническое обслуживание и профилактика ВОЛС подразделяются на текущее и плановое. Основной задачей этих видов обслуживания является своевременное выявление и устранение неисправностей и повреждений на линии связи, позволяющие не допустить нарушения действия или ухудшения качества связи. Под повреждением ВОЛС понимают такое ее состяние, при котором часть параметров линии связи и трактов не удовлетворяет требованиям норм, однако действие связи не прекращается. Выявление повреждений производится в процессе проведения периодических электрических измерений параметров ВОЛС и ОК или в результате показаний автоматизированных систем телеконтроля и управления за состоянием ОК.

Контроль за техническим состоянием междугородных ВОЛС осуществляется автоматически путем непрерывного контроля параметров передачи ОК, что позволяет практически немедленно получить сигналы извещения о нарушениях режима работы и авариях на ВОЛС и ОК. Непрерывный контроль дает возможность в ряде случаев прогнозировать и предотвращать аварийные ситуации, сокращать объем профилактических работ с закрытием связей, а в ряде случаев полностью отказаться от закрятия связи.

На междугородных ВОЛС широко применяется автоматизация и телеконтроль, позволяющие принять необходимые меры к предотвращению аварии и тем самым избежать прекращения действия связи. С этой целью ВОЛС оборудуют:

- устройствами содержания под избыточным газовым давлением, позволяющим передавать на оконечный или ближайший обслуживаемый пункт сигналы о понижении давления, а также автоматически запускать компрессорные установки для периодической подкачки воздуха;

- устройствами автоматической сигнализации и телемеханики для контроля за техническим состянием в них регенераторов с элементами управления, переключением регенераторов и других устройств, а также состоянием помещения необслуживаемых регенерационных пунктов;

- устройствами для подачи и приема в НРП дистанционного или местного электропитания;

- контрольно-измерительными пунктами для измерения потенциалов на металлических оболочках ОК.

Обеспечение контроля за работой НРП и нормального режима в НРП в системах телемеханики осуществляется путем передачи с контролируемых НРП сигналов об открытии двери НРП, неисправности регенераторов, нарушений температурного режима, превышении влажности, понижения давления в ОК, нарушении работы блоков электропитания.

Для переключения основных регенераторов на резервные предусматривается установка дистанционно управляемых или автоматических устройств с посылкой на оконечный пункт или обслуживаемый пункт ответных сигналов исполнения или сигналов извещения о срабатывании автоматических переключающих устройств. Аналогично этому обеспечивается посылка сигналов управления, необходимых для сохранности связи при повреждении станционной аппаратуры и линейных сооружений (автоматическое переключение питания НРП от резервных аккумуляторов, автоматический пуск компрессорных установок для подкачки воздуха и др.).

На ОК применяется несколько систем телеуправления и контроля (ТУ и К). Первая группа систем ТУ и К овнована на создании для них специальных трактов. Подобным системам присущи следующие недостатки: высокая стоимость из-за организации специального оптического тракта; телеконтроль происходит по системе “опрос-ответ”, что увеличивает время обнаружения неисправного НРП; система не реагирует на ряд повреждений основных трактов.

Вторая группа ТУ и К работает на принципе разделения информационных трактов и трактов ТУ и К по оптическим несущим. Подобные системы также неэкономичны, так как кроме выделения специальных трактов для ТУ и К необходимо сокращать длину регенерационного участка из-за потерь в оптических фильтрах.

Третья группа систем ТУ и К работает по информационному тракту при аварии, когда происходит прерывание информационных сигналов. Недостаток этих систем состоит в невозможности их использования для прогнозирования отказов в ВОЛС, а также значительное время для определения характера и места повреждения ОК и ВОЛС.

Наиболее совершенные системы ТУ и К обеспечивают постоянный контроль за состоянием оптических кабелей и трактов. Подобные системы позволяют максимально сократить время обнаружения аварии или неисправности, а также прогнозировать отказы и повреждения оптических трактов ВОЛС. Решение последних задач требует анализа, обработки т запоминания поступающих сигналов, что осуществляется с помошью ЭВМ. В память ЭВМ вводится информация о состоянии ВОЛС и ОК, данные о характере различных повреждений и аварийных ситуаций и описание этих ситуаций сигналами телеконтроля. В результате создается автоматизированная система упарвления технологическими процессами в ВОЛС. Подобные системы позволяют резко повысить эффективность и надежность работы ВОЛС, снизить эксплуатационные расходы и увеличить производительность труда.

На ВОЛС проводятся текущий ремонт - силами кабельного участка и капитальный - ремонтно - восстановительной бригадой.

При текущем ремонте кабельных сооружений выполняются следующие работы:

- углубление и выноска строительных длин кабеля;

- устранение негерметичности кабелей;

- ремонт контрольно-испытательных пунктов (КИП), люков, крышек, кронштейнов в колодцах;

- покраска ящиков, шкафов арматуры;

- установка новых замерных столбиков;

- ремонт устройств защиты от коррозии и ударов молнии и др.

При капитальом ремонте основными работами являются:

- выноска или углубление кабельной линии;

- переустройство кабельных колодцев;

- устройство речных переходов;

- установка кабеля под давление;

- выполнение работ по защите от коррозии и ударов молнии;

- приведение оптических характеристик кабелей к нормам;

- замена кабелей и оборудования на лучшие;

- ремонт НРП и др.

В процессе технической эксплуатации ВОЛС осуществляется комплекс измерений с целью определения электрического состояния линейных сооружений, предупреждения повреждений и их устранения. В комплекс входят следующие измерения: профилактические, аварийные и контрольные.

Профилактические измерения проводятся с целью выявления и устранения возникших в процессе эксплуатации отклонений оптических параметров линейных сооружений от норм. Эти измерения выполняются в плановом порядке периодически в определенные промежутки времени.

Аварийные измерения производятся с целью определения характера и места повреждения или аварии кабелей. Порядок измерений следующий: вначале измеряются оптические параметры с целью определения характера и района повреждения кабеля, затем выполняются измерения для уточнения места повреждения на трассе. В случае необходимости поврежденное место кабеля вырезается и делается временная, а в последующем и постоянная кабельные вставки .

Контрольные измерения проводятся после окончания ремонтных и восстановительных работ с целью определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Определение места и характера повреждения оптического кабеля

Характерные повреждения ОК - нарушение целостности волокна и защитной оболочки. Методы определения места и характера повреждения оболочки аналогичны методам, широко применяемым в электрических кабелях с медными проводниками.

Повреждением оптического волокна считается любая неоднородность, приводящая к ухудшению передаточных ствойств кабеля. Один из наиболее характерных видов повреждения - обрыв волокна.

Существуют в основном два метода определения места обрыва оптического волокна:

- измерение интенсивности обратного рассеяния с помощью рефлектометра;

- импульсный локационный метод определения места обрыва.

Сравнивая эффективность этих методов, следует отметить, что недостатком первого метода является низкий уровень потока обратного рассеяния, что не позволяет использовать его для определения места обрыва кабельных линий большой протяженности.

Импульсный метод. Этот мтеод обладает высокой разрешающей способностью и позволяет определить как места неоднородностей, так и полного обрыва оптических волокон в кабеле.

Принцип работы прибора состоит в том, что в кабель посылается серия зондирующих импульсов и по времени возвращения отраженных отраженных от места обрыва или повреждения волокна импульсов определяется это место (рис. 1).

Данный метод позволяет определить место повреждения кабеля с точностью до нескольких сот метров. В качестве источника излучения используется гелий-неоновый лазер. Внешний модулятор на элементе Поккельса управляется импульсами длительностью 1 мс и частотой следования 100 кГц, которые генерируются импульсным генератором и усиливаются видеоусилителем. Световые импульсы вводятся в кабель с помощью линзы. На дальнем конце кабеля расположено зеркало, между модулятором и фокусирующей линзой - полупрозрачное зеркало, которое отводит часть отраженного светового потока от места повреждения на фотодиод. Сигнал с фотодиода усиливается широкополосным усилителем и подается на клемму х₁ осциллографа. На клемму х₂ осциллографа подается импульс от генератора. По разнице времени прихода обоих импульсов определяется расстояния до места повреждения:

где t- разность во времени прихода обоих импульсов;

- уширение второго импульса из-за дисперсии.

Следует отметить, что эффективность импульсного метода контроля состояния оптического кабеля зависит от угла скола волокна. При воздействии на волокно только растягивающей силы возникает плоская поверхность излома, если же волокно разрушается от удара, то поверхность не является плоской. Поскольку значение эхо-импульсаможет зависеть от характера излома волокна, в ряде случаев импульсный метод может оказаться недостаточно точным для обнаружения места повреждения оптического кабеля.

Этим же локационным методом можно также определить параметр затухания оптического кабеля. Действительно, первый импульс I₀, поданный на клемму х₁, соответствует отраженному от переднего торца волокна к поверхности фокусирующей линзы, а второй импульс - отраженному от зеркала в конце кабеля. Пользуясь полученными значениями амплитуд этих импульсов, затухание оптического кабеля рассчитывается по формуле

Метод обратного рассеяния с применением рефлектометров

Последнее время широкое распрлстранение получили оптические рефлектометры, базирующиеся на методе обратного рассеяния. Рефлектометр позволяет определить степень регулярности ВОЛС, выяснить места неоднородностей и повреждений кабеля, наличия микроьтрещин и изгибов, потерь в местах соединений и затухания, как строительной длины кабеля, так и всего тракта передачи. Погрешность измерения рефлектометром составляет: затухания 0,1... 1,0 дБ, а расстояний до места повреждения до места повреждения 3...10 м.

Структурная схема рефлектометра приведена на рис. 2.

Оптический сигнал от лазера 2 через направленный ответвитель 3 и разъем 4 вводится в волокно. Сигнал обратно рассеянного излучения отводится на фотоприемник 6 и поступает в осциллограф и систему регистрации: преобразователь 7 и самописец 8. Задающий генератор 1 служит для синхронизации работы излучателя, фотоприемника и системы регистрации. Контрольный фотоприемник 5 предназначен для контроля стабильности мощности и формы импульсов.

Направленный ответвитель ответвляет часть передаваемого излучеия в контрольный фотоприемник 5, а обратное излучение поступает на фотоприемник 6.

На рис. 3 приведена типичная характеристика диаграммы обратного рассеяния оптического волокна.

Начальный выброс мощности светового потока обусловлен потоком отражения от торца волокна. Отдельные всплески соответствуют отражению светового импульса от локальных неоднородностей, которые возникают в соединительных муфтах оптического кабеля или в волокне. Последний всплеск кривой вызван отражением светового потока от торца световода. Точка х_п соответствует месту повреждения оптического волокна. Так как на графике по горизонтальной оси отложена длина пути распространяющегося отражения, то можно определить место этого повреждения.

По кривой обратного рассеяния можно определить среднее значение коэффициента километрического затухания волокна на длине (х₂-х₁):



Лекция 12

1. Пассивные компоненты ВОЛС

К пассивным компонентам ВОЛС относятся оптические соединители и разветвители, которые служат для объединения или разъединения оптических сигналов.

Различают чувствительные (селективные) и нечувствительные (неселективные) пассивные компоненты. Первые применяются для объединения (или разъединения) сигналов с различными оптическими несущими и называются соответственно мультиплексорами и демультиплексорами. Вторые используются для разветвления оптической мощности при наличии большого числа оконечных устройств в линии связи.

Мультиплексоры и демультиплексоры. Мультиплексирование позволяет увеличить информационную емкость ВОЛС. Применяемые в линиях устройства для объединения сигналов с различными несущими длинами волн (мультиплексоры) и разъединения (демультиплексоры) должны иметь малые вносимые потери. Кроме того, они должны обеспечивать высокую степень изоляции между каналами. В зависимости от длины волны используют четыре основных способа формирования данных устройств (рис. 1).



В основу работы устройств положены три чувствительных к длине волны эффекта: угловая дисперсия, интерференция и поглощение. Демультиплексоры, показанные на рис. 1.а,б, используют угловую дисперсию решетки или призмы. На рис. 1.в изображена конструкция для разделения каналов с помощью интерференционного фильтра, а на рис. 1.г - структура поглощающего типа. При этом каждый поглотитель состоит из чувствительного к длине волны фотодиода.

Устройства с решеткой и призмой являются делителями с параллельным разделением каналов, а использующие фильтры и селективные фотодетекторы - с последовательным.

Последовательное разделение применяется при небольшом числе каналов, так как с ростом числа каналов пропорционально увеличивается число элементов схемы (сфетофильтров, делительных пластин, зеркал, фокусирующих элементов) и соответственно растут потери на излучение. Наиболее широко используются устройства с интерференционным фильтром. Принцип последовательного разделения каналов с помощью интерференционных фильтров представлен на рис. 2.

Интерференционные фильтры пропускают узкую область спектра, а остальное излучение эффективно отражают. В приведенной схеме шесть фокусирующих элементов состыкованы торцами, между которыми размещены интерференционные фильтры, причем каждый из них пропускает лишь одну оптическую несущую. Потери при выделении одной несущей от лазерного источника излучения составляют ~2,5 дБ, интервал между несущими 30 нм.

Демодуляторы такого типа выполнимы и в полностью волоконном исполнении без использования цилиндрических линз. Их устройство подобно устройству торцевых делителей мощности, в разрезе передающего волоконного световода которых вместо полупрозрачной пластины расположен фильтр, чувствительный к длине волны.

Параллельное разделение возможно осуществить как для малого, так и для большого (несколько десятков) числа спектрально уплотненных несущих в одном волоконном световоде. Параллельные детали представляют собой миниспектрометры. Как и спектрометр, делитель имеет диспергирующий элемент (решетку или призму), коллимирующий элемент (объектив или вогнутое зеркало), а также входную и выходную щели (роль которых выполняют сердечники излучающего и приемных волоконных световодов). Схема с призмой не получила широкого распространения, так как призма ограничивает возможность иниатюризации устройства и характеризуется низкой дисперсией в диапазоне длин волн 1,1 - 1,6 мкм. Материалы для изготовления призм со значительной угловой дисперсией имеют большие потери. Кроме того, дисперсия призм не постоянна по спектру. Наибольшее распространение получили устройства с дифракционной решеткой.

Угловая дисперсия первого порядка для решетки определяется ее пространственным периодом - постоянной решетки А и описывается выражением

.

Если оптическая мощность в каждом канале практически монохроматична, разделение каналов определяется определяется соотношением

,

где f - фокусная длина линзы;

D - прстранственное разделение выходов

волоконного световода.

Конечная ширина спектральной линии таких источников излучения, как светодиоды, приводит к перекрытию соседних каналов, поэтому мультиплексоры и демультиплексоры с решетками пригодны в ВОЛС, в которых источниками излучения являются только полупроводниковые лазеры с шириной спектральной линии ~ 2 нм.

Примером устройства демультиплексора с решеткой является пятиканальный дкмультиплексор изображенный на рис. 3.

Излучающий и пять приемных ВС объединены в линейку, расположенной в фокальной плоскости объектива (фокусное расстояние 23,8 мм, диаметр 14 мм). Излучение из передающего ВС коллимируется объективом, дифрагирует на решетке и снова попадает в объектив, который в зависимости от длины волны фокусирует излучение на тот или другой приемный ВС. Вместо объектива может использоваться фокусирующий (градиентный). Дифракционную решетку изготавливают анизотропным травлением кристаллической подложки по кристаллическим осям сквозь предварительно нанесенную маску. Решетка имеет несимметричные канавки. Параметры решетки (постоянная решетки А=4 мкм, угол =6,2⁰) выбраны так, чтобы ее максимальная дифракционная эффективность достигалась на центральной длине волны =0,86 мкм рабочего диапазона 0,82 - 0,88 мкм. Спектральный интервал между каналами равен 25 нм. Вносимые потери в каналах не превышают 1,4 дБ, переходное затухание не менее 30 дБ.

Делители оптической мощности. Неселективные разветвители подразделяют на два основных типа: Т-образные, построенные по принципу ответвления оконечных устройств от главного ствола линии и звездообразные. Потери при распределении мощности излучения в системе с Т- образными соединителями возрастают пропорционально числу абонентов, а в системе со звездообразными ответвителями - пропорционально логарифму числа оконечных устройств N. Так в системе с 20 оконечными устройствами общие потери составляют в первом случае 130 дБ, а во втором - 28 дБ. Поэтому в системах с большим количеством абонентов целесообразно применение звездообразных соединительных устройств.

Деление мощности с помощью Т-образного разветвителя характеризуют следующими величинами затухания:

в прямом направлении

вносимым

при ответвлении

связи



в обратном направлении

В звездообразном ответвителе к каждому из входных ВС подведена мощность Р_Еi (i=1, 2, ..., n), которая передается выходным ВС. Пусть Р_Аj (j=1, 2, ..., m) - мощность, поступающая в j-й выходной ВС. При равномерном распределении входной мощности между выходными ВС ответвитель характеризуют следующие величины: потери на расщепление

вносимые потери

ослабление в обратном направлении

где =1, 2, ..., n.

По своей конструкции разветвители разделяют на две основные группы:

- биконические, в которых излучение передается через боковую поверхность;

- торцевые, в которых излучение передается через торец.

В обеих группах передача излучения может осуществляться либо при непосредственном контакте ВС, либо через вспомогательные элементы - зеркала, линзы, смесители. В биконических разветвителях свет может быть извлечен через боковую поверхность при преобразовании направляемой моды в моду излучения или при связи со вторым ВС через исчезающее поле (рис. 4).

Преобразование распространяющейся волны в моды излучения получают при изгибе ВС, при снятии оболочки или коническом сужении сердцевины. Вносимые потери составляют 0,2 - 1,0 дБ.

Из разветвителей торцевого типа наиболее распространены такие, в которых торцы выходных ВС непосредственно состыкованы с торцом входного ВС и закрепляются каким-либо механическим способом (рис. 5).

Изменяя взаимное расположение торцов ВС и подбирая их поперечное сечение, можно варьировать в широких пределах отношение мощностей в разных выходных каналах. Вносимые потери составляют 0,3 - 1,2 дБ.

На рис. 6 изображен разветвитель с ветвящейся структурой, сформированный путем склеивания или сплавления выходных ВС вдоль сошлифованных под малым углом сердечника и соединения с торцом входного ВС.

Хотя принцип разветвителя простой, изготовление затруднительно, вносимые потери составляют 0,5 - 1,2 дБ. Эта конструкция подходит как для градиентных, так и для ступенчатых световодов. Разделение мод и потери растут с ростом угла , под которым соединены ВС.

Разветвитель с расщеплением пучка показан на рис. 7.

Световод разрезан под углом 45⁰ к оси, торцы его отполированы и покрыты частично отражающими и диэлектрическими зеркалами. Величина потерь составляет 0,5 дБ.

В разветвителях со вспомогательными элементами широко используют диэлектрические цилиндрические линзы, представляющие собой отрезок градиентного волоконного световода с параболическим профилем показателя преломления.

Лучи периодически фокусируются на оси линзы в точках, расстояние f между которыми определяется длиной волны сигнала. Некоторые типы разветвителей с линзами показаны на рис. 8.

На торцы линз иногда наносится частично отражающие покрытия.

На рис. 9 представлен звездообразный ответвитель.

Он состоит из цилиндрического корпуса со стеклянным смесительным стержнем. Один из концов смесительного стержня представляет собой сферическое зеркало, на другой конец нанесено просветляющее покрытие. Излучение, выходящее из какого-либо световода, отражается от зеркала и равномерно распределяется всем ВС. Это дает возможность каждому терминалу в системе передавать и принимать данные от любого другого терминала.



Лекция 13

1. Оптические элементы на основе активных стекловолокон

Оптические волокна являются не только самой совершенной физической средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Они могут быть использованы в качестве основных элементов при конструировании оптических систем обработки информации. Перспективность использования их в качестве электрооптических преобразователей, переключателей каналов, модуляторов, фильтров и других элементов волоконно-оптических систем передачи заключается в относительно простом способе подсоединения данных устройств непосредственно к волоконно-оптическим линиям связи методом сварки. Таким образом появляется возможность создавать оптические устройства систем, целиком состоящих из волоконных элементов. Однако, такие устройства могут быть реализованы только на основе активных стекловолокон.

Активные одномодовые волокна, легированные ионами редкоземельных элементов. В отличие от обычных волокон, в которых происходит только поглощение и рассеяние света, в активных волокнах свет может усиливаться. Достигается это введением в сердечник одномодового световода со ступенчатым профилем показателя преломления ионов редкоземельных элементов и создания условий для перевода их электронов в метастабильное состояние с помощью накачки светом.

Свет, проходящий через такое волокно, поглощается ионами легирующей присадки и флюоресцирует на характерной длине волны, что придает волокну оптическую активность.

В качестве присадок, как правило, используются ионы редкоземельных элементов: неодима Nd³⁺, эрбия Er³⁺, иттербия Yb³⁺, церия Ce³⁺ и празеодима Pr³⁺. Эти ионы отличаются уровнями поглощения и длиной волны флюоресценции, представляющей интерес для волоконно-оптических линий связи.

Существует также широкий спектр других легирующих материалов, позволяющих создавать активные среды, включая ионы переходных металлов, например Cr³⁺.

Уровень легирования, необходимый для работы в режиме усиления, мал и составляет всего несколько десятков единиц на миллион окружающих атомов (ppm parts per million, или млн^-1). Большая часть разработанных волокон имеет концентрацию ионов 10 - 1000 ppm, ведутся работы по созданию сильно легированных волокон с концентрациями более 1000 ppm.

Следует отметить, что в некоторых случаях требования к технологии изготовления активных волокон ниже, чем к технологии изготовления обычных волокон для оптических кабелей, так оптические устройства могут быть изготовлены из достаточно коротких отрезков волокна (до 10 м). Вследствие этого при изготовлении оптических заготовок допускается легирование не из газовой фазы, а более простым методом пропитки метериала сердечника растворами солей редкоземельных элементов.

Волоконные лазеры и усилители. Впервые эффекты оптического усиления и лазерный эффект были получены на неодимовых стеклах, которые отличаются от кристаллических лазерных материалов тем, что ширина линий поглощения и флюоресценции значительно шире, чем у кристаллических материалов. Это приводит к повышению порога лазерной генерации. В то же время туннельный характер переходов позволяет получать более короткие по длительности импульсы с большей максимальной мощностью. Однако, из-за низкой теплопроводности стекла в подобных конструкциях возникают проблемы теплоотвода при работе в непрерывном режиме или при высокой скорости повторения импульсов.

Отрицательные свойства стекол (высокий порог генерации и низкая теплопроводность) мало влияют в волоконно-оптических лазерах. Благодаря большой длтне пути и высокому поглощению в сердечнике накачиваемой мощности при продольной накачке снижается порог генерации. Кроме того, большое отношение длины к диаметру, приводит к низкому тепловыделению на единицу длины волокна и допускает интенсивную накачку.

Для создания активной оптической среды необходим перевод электронов в возбужденное состояние с помощью какого-либо преобразования энергии (накачка светом, электронным пучком и др.), а также наличие подходящих метастабильных энергетических уровней электронов.

Сигналы с длиной волны, попадающей в полосу флюоресценции, не затухают, а усиливаются в такой среде, поэтому она называется активной.

В активных волокнах перевод электроной в возбужденное состояние происходит, как правило, путем оптической накачки на длине волны поглощения , а ионы редкоземельных элементов имеют метастабильные энергетические уровни, задерживающие электроны в неустойчивом состоянии.

Схема работы трех уровней активной среды с ионами Er³⁺ представлена на рис. 1.

Излучение накачки с длиной волны =500-800 нм приводит к переводу электронов в возбужденное состояние на энергетический уровень Е₃. С этого уровня электроны переходят в метастабильное состояние на уровне Е₂. Переход Е₃-Е₂ безизлучательный и приводит лишь к небольшому тепловыделению. Далее электроны с небольшой задержкой (Т₂=14 нс) могут спонтанно перейти с уровня Е₂ на уровень Е₁ с выделением флюоресцентного излучения на длине волны . Если на вход волокна подается, кроме излучения накачки, слабое излучение с длиной волны =1,5-1,6 мкм, то произойдет усиление сигнала за счет синхронного перехода возбужденных электронов с уровня Е₂ на уровень Е₁ с выделением квантов света на длине волны . Если выделение энергии превышает затухание сигнала при прохождении волокна, то происходит усиление.

Схема установки для исследования усиления света в волокне, легированном эрбием, приведена на рис. 2.

С помощью такой установки показана возможность достижения коэффициента усиления до 20 - 30 дБ при длине активного волокна 3-10 м.

Наличие активной оптической среды с электронами в метастабильном состоянии позволяет получить лазерный эффект при спонтанном самовозбуждении в оптическом резонаторе.

Если на торцы активных волокон нанести отражающее покрытие, то в волокне образуется резонатор и при наличии усиливающей среды, может спонтанно возникнуть лазерная генерация на длине волны, соответствующей резонансной линии флюоресценции.

На рис. 3,а представлена схема лазера содномодовым волокном, легированным ионами Er³⁺ и накачиваемый аргоновым газовым лазером на рабочей длине волны 514 нм при мощности в непрерывном режиме более 10 мВт.

Входное зеркало 3 в виде диэлектрического покрытия толщиной /4 выполнено так, что пропускает свет накачки и полностью отражает генерируемое излучение =1,55 мкм. На выходном конце волокна нанесено покрытие, обеспечивающее отражение половины мощности падающего излучения. Мощность лазерного излучения измеряют с помощью фотодиода.

На рис. 3,б показан лазер с одномодовым волокном, легированным ионами Nd³⁺ и накачиваемый полкпроводниковым арсенид-галиевым лазером с излучением на длине волны 830 нм. Такой лазер имеет малые массу и габариты, использует низковольтный источник питания малой мощности; порог генерации соответствует 1-2 мВт и эффективность преобразования излучательной энергии составляет около 20%.

Приведенные схемы позволяют получать излучение с расходимостью соответствующей апертуре одномодового волокна (0,08-0,25).

Излучение приведенных лазеров имеет довольно высокую монохроматичность. Ширина линии излучения составляет 30-60 нм. При необходимости получения более узкой линии на одном конце волокна вместо зеркала устанавливают дифракционную решетку. Дифракционная решетка может быть встроена или напылена на сошлифованную поверхность волокна в области оптической оболочки, близкой к сердечнику. Таким образом улучшается добротность резонатора и достигается ширина линии 5-10 нм.

Поворотом внешней дифракционной решетки можно также перестраивать частоту излучения в пределах длин волн флюоресценции, характерных для данного типа легирующей присадки. На рис. 4 приведена схема перестраиваемого волоконного лазера.

Использование волокна, легированного ионами Nd³⁺, позволяет перестраивать длины волн в пределах 0,9-1,1 мкм.

Управление добротностью резонатора позволяет перевести лазер в импульсный режим. При непрерывной накачке создаются условия для скопления электронов в метастабильном энергетическом состоянии и получения больших мощностей излучения в импульсе. Известны схемы импульсных волоконных лазеров с модуляцией добротностью с помощью акустооптических дефлекторов и механических прерывателей. Схема лазера с прерывателем представлена на рис. 5.

В этой схеме излучение периодически прерывается и создаются условия для накоплении энергии в момент прерывания луча.

С помощью одномодовых волокон легко реализуется кольцевой лазер, в котором нет необходимости в отражающих зеркалах, так как часть мощности возвращается в контур через ответвитель (рис. 6).

Волоконные фильтры. С целью уплотнения каналов разработаны методы введения нескольких независимо управляемых оптических сигналов в волокно с помощью микрооптики или волоконных ответвителей, однако важной проблемой является спектральное разделение и фильтрация излучения. Для этих целей также перспективны одномодовые волокна, легированные редкоземельными элементами, так как они имеют четко выраженные полосы поглощения.

Наиболее подходящей присадкой для волоконных фильтров является гольмий (Ho³⁺), имеющий выраженные линии поглощения в области длин волн 0,63-1,1 мкм (рис. 6). Диапазон области флюоресценции Ho³⁺ в кварцевом стекле приходится на 2 мкм, что выходит за диапазон работы оптического волокна линий связи и не мешает фильтрации.

Полосы поглощения кварцевого волокна, легированного Ho³⁺, находятся в диапазонах 520-560, 630-680, 860-930 нм. Поглощение в этих диапазонах составляет соответственно, 6,3 10⁴; 6,1 10⁴, 10³ дБ/км при среднем уровне потерь в окнах прозрачности 15 дБ/км. Таким образом, в отрезке волокна длиной 5 м можно подавить нежелательную спектарльную составляющую на 30 дБ.

С помощью волоконного фильтра, легированного гольмием, был изготовлен преобразователь излучения He-Ne лазера с длиной волны 6327 нм в излучение с длиной волны 616 нм, в котором использовалось комбинационное рассеяние света. Излучение He-Ne лазера мощностью 1 мВт вводили в кварцевое волокно длиной 20 м, где возбуждалось комбинационное (рамановское) рассеяние. На выходе этого волокна было приварено волокно, легированное гольмием, длиной 7 м. В связи с тем, что комбинационное рассение составляет малую долю исходного, необходимо подавить основную составляющую. Пропускание фильтра на длине волны 633 нм составило 3 10^-3 от исходной мощности лазера, что позволило выделить основную комбинационную гармонику на длине волны 616 нм мощностью около 0,1 мВт.



Литература

1. Линии связи / И. И. Гроднев, С. М. Верник, Л. Н. Кочановский. - М.: Радио и связь, 2002

2. Оптические кабели / Ю. Т. Ларин , И. И. Теумен. - М.: Энергоиздат, 2001

3. Волоконно-оптические линии связи / И. И. Гроднев. - М.: Радио и связь, 2003

4. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения/Иванов А.Б. - М.: Мир, 2001

5. Потапов В.Т. Новые типы оптических волокон для высокоскоростных систем передачи// Информационный бюллетень "Фотон-Экспресс", декабрь 2001, № 17.

6. Потапов В.Т. Эволюция оптических волокон и кабелей // Информационный бюллетень "Фотон-Экспресс", март 2002, № 24.с.7-11.:ил.

7. Монтаж, восстановление и измерение волоконно-оптических кабелей ВОЛП ЖТ: Учебное иллюстрированное пособие. - М.: Маршрут, 2003

Размещено на Allbest.ru

...