Физические основы передачи оптического излучения по волоконным световодам

Сентябрь 3, 2022

Главная
Алгебра
Физические основы передачи оптического излучения по волоконным световодам

Содержание

2. С одной стороны свет – электромагнитная волна. 2) С другой стороны – это поток частиц -
3. В настоящее время для передачи информации по оптическим волокнам используется ближний ИК – диапазон: 6 …
4. Распространение лучей света вдоль ОВ основано на явлениях отражения и преломления и может быть описано с
5. r n(r) n1 n2 n1 > n2 Профиль показателя преломления (ППП) ОВ – зависимость показателя от
6. Законы Снеллиуса: скорость света в среде сердцевина - более плотная оптическая среда, чем оболочка с =
7. «Современные системы телекоммуникаций» Яблочкин К.А. Передача оптического излучения по световоду осуществляется за счет свойства полного внутреннего
8. Явление полного внутреннего отражения определяет условия ввода излучения в световод и характеризуется апертурой оптического волокна. Апертура
9. Числовая апертура ОВ: Нормированная частота ОВ: - параметр, определяющий число мод ОВ - рабочая длина волны,
10. φкр – критический угол падения , ΘA – апертура ОВ. С ростом φпр интенсивность преломленного луча
11. 1 – направляемая мода; 2 – световой конус; 3 – оптическая ось Ввод светового луча в
12. Из-за неидеальности диаграммы направленности источника излучения часть лучей может не попасть в световой конус => будут
13. Важнейшими параметрами передачи являются: затухание и дисперсия «Современные системы телекоммуникаций» Яблочкин К.А.
14. ЗАТУХАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН «Современные системы телекоммуникаций» Яблочкин К.А.
15. Затухание – потеря мощности оптического сигнала при распространении по ОВ Рэлеевское рассеяние – рассеяние света на
16. Основные причины и составляющие затухания ОВ где αп – потери на поглощение; αр – потери на
17. «Современные системы телекоммуникаций» Яблочкин К.А.
18. На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко просматривается резкое уменьшение затухания на длинах волн, лежащих в области
19. Результирующая характеристика затухания стандартного ОВ «Современные системы телекоммуникаций» Яблочкин К.А.
20. Области длин волн вблизи значений λ = 0,85, 1,31 и 1,55 мкм (850, 1310, 1550 нм)
21. Спектральные диапазоны «Современные системы телекоммуникаций» Яблочкин К.А.
22. ДИСПЕРСИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН «Современные коммуникационные системы» Яблочкин К.А.
23. Дисперсией оптического волокна называют рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Основная причина дисперсии
24. Межмодовая дисперсия характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в многомодовых световодах из-за наличия большого
25. В ступенчатых многомодовых оптических волокнах траектории лучей отдельных мод имеют вид зигзагообразных линий. Пути следования лучей
26. В многомодовых световодах с градиентым профилем показателя преломления траектории распространения большинства лучей представляют собой плавные волнообразные
27. Оптически более плотная среда соответствует центральной области сердцевины, в то время как менее плотная – границе
28. Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется. Одними из основных факторов искажений сигналов,
29. Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и различием скоростей распространения отдельных спектральных составляющих
30. Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина оптического волокна – кварца и
31. Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины волны, характер которой определяется формой
32. Результирующее значение хроматической дисперсии Dch складывается из материальной Dmat и волноводной Dw составляющих. SSF (G.652) Яблочкин
33. Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет соответствующим образом изменить итоговую спектральную характеристику хроматической дисперсии. Яблочкин
34. Поляризационная модовая дисперсия (PMD – Polarization Mode Dispersion) является следствием двулучепреломления (анизотропии), которое заключается в зависимости
35. В общем случае основную моду распространяющегося в сердцевине одномодового волокна оптического излучения можно представить в виде
36. Другими словами, моды разной поляризации приходят с определенной задержкой относительно друг друга, которая получила название дифференциальная
37. Основные источники двулучепреломления можно условно разделить на внутренние и внешние. Внутренние источники возникают, в основном, в
38. Внутренние источники двулучепреломления Яблочкин К.А. «Современные коммуникационные системы»
39. Внешние источники двулучепреломления Яблочкин К.А. «Современные коммуникационные системы»
40. Кроме того, воздействия также можно разделить на две группы: статические (несовершенство технологии производства волокна, кабеля; механические
42. Скачать презентацию

Слайд 2

С одной стороны свет – электромагнитная
волна.
2) С другой стороны –

это поток частиц
- фотонов, или квантов.

Двойственная природа света:

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 3

В настоящее время
для передачи информации
по оптическим волокнам
используется
ближний ИК – диапазон:
6

… 0,75 мкм (50…400 ТГц)

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 4

Распространение лучей света вдоль ОВ основано
на явлениях отражения и преломления

и может быть
описано с помощью законов Снеллиуса

Виллеброрд СНЕЛЛИУС
(СНЕЛЛЬ) Willebrord Van Roijen Snell,
1580–1626
Голландский математик
и физик.

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 5

r
n(r)
n1
n2
n1 > n2
Профиль показателя преломления (ППП) ОВ –
зависимость показателя от поперечной

координаты.
n1 и n2 – показатели преломления сердцевины и оболочки

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 6

Законы Снеллиуса:
скорость света в среде
сердцевина - более плотная оптическая

среда,
чем оболочка

с = 3∙108 м/с – ск. света в вакууме

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 7

«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.
Передача оптического излучения по световоду осуществляется за счет

свойства полного внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1>n2, при этом среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной средой.

Слайд 8

Явление полного внутреннего отражения определяет условия ввода излучения в световод и

характеризуется апертурой оптического волокна. Апертура – это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения . Также пользуются понятием числовой апертуры.

Угол падения, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения, называется критическим углом падения и определяется из выражения:

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 9

Числовая апертура ОВ:
Нормированная частота ОВ:
- параметр, определяющий число мод ОВ
- рабочая

длина волны, а – радиус сердцевины ОВ

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 10

φкр – критический угол падения , ΘA – апертура ОВ.
С ростом

φпр интенсивность преломленного луча I → 0

I = 0

Полное
внутреннее
отражение

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 11

1 – направляемая мода; 2 – световой конус; 3 – оптическая

ось

Ввод светового луча в ОВ

ΘA

φ < ΘA

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 12

Из-за неидеальности диаграммы направленности источника
излучения часть лучей может не попасть в

световой конус =>
будут формироваться моды оболочки 2 и излучаемые моды 3
(ненаправляемые моды)

φ > ΘA

ΘA

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 13

Важнейшими параметрами
передачи являются:
затухание и дисперсия
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Слайд 14

ЗАТУХАНИЕ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Слайд 15

Затухание – потеря мощности оптического
сигнала при распространении по ОВ
Рэлеевское рассеяние –

рассеяние света на
случайных флуктуациях (неоднородностях)
показателя преломления сердцевины, если
размеры неоднородностей соизмеримы с длиной
световой волны λ.
Гидроксильная группа ОН –
Поглощения квантов света атомами кварца в
инфракрасной области спектра

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 16

Основные причины и составляющие
затухания ОВ
где αп – потери на поглощение;
αр –

потери на рассеяние;
αпр – потери на поглощение, обусловленные примесями;
αк – кабельные потери;
αик – потери на поглощение в инфракрасной области.

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 17

«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Слайд 18

На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко просматривается резкое уменьшение затухания на

длинах волн, лежащих в области трех окон прозрачности (850 нм, 1300 нм и 1550 нм).
Технология производства оптических волокон совершенствуется, и к 1990 г. наблюдается сглаживание характеристики, по сравнению с более ранним периодом, а также яркого проявления пика поглощения на примесях ОН с максимумом при λ= 1380 нм.

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 19

Результирующая характеристика затухания
стандартного ОВ
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Слайд 20

Области длин волн вблизи значений
λ = 0,85, 1,31 и 1,55 мкм

(850, 1310, 1550 нм)
называются соответственно I, II и III окнами прозрачности

Минимальные величины затуханий:
I окно: 2 – 3 дБ/км; (0,85 мкм)
II окно: 0,3 – 0,5 дБ/км; (1,31 мкм)
III окно: 0,2 – 0,4 дБ/км; (1,55 мкм)

Наиболее выгодным и с точки зрения полосы частот,
и затухания является III окно прозрачности:
диапазон длин волн: Δλ = 1,36 – 1,675 мкм (ΔF ≈ 28 ТГц,
предел пропускной способности С ≈ 370 Тбит/с),
затухание – 0,22 дБ/км

«Современные системы телекоммуникаций»

Яблочкин К.А.

Слайд 21

Спектральные диапазоны
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Слайд 22

ДИСПЕРСИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
«Современные коммуникационные системы»
Яблочкин К.А.

Слайд 23

Дисперсией оптического волокна называют рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих

оптического сигнала.
Основная причина дисперсии – разные скорости распространения
отдельных составляющих оптического сигнала.
Дисперсия проявляется как уширение, увеличение длительности распространяющихся по волокну оптических импульсов.
Дисперсия бывает:
- Межмодовая;
- Хроматическая (состоит из волноводной и материальной);
- Поляризационная модовая дисперсия (PMD);

«Современные коммуникационные системы»

Яблочкин К.А.

Слайд 24

Межмодовая дисперсия характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в

многомодовых световодах из-за наличия большого числа мод с различным временем распространения за счет различной длины пути, который отдельные моды проходят в сердцевине волокна.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 25

В ступенчатых многомодовых оптических волокнах траектории лучей отдельных мод имеют

вид зигзагообразных линий.

Пути следования лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со сдвигом по времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала, известному как проявление межмодовой дисперсии.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 26

В многомодовых световодах с градиентым профилем показателя преломления траектории распространения большинства

лучей представляют собой плавные волнообразные кривые, в результате чего моды приходят на выход ВОЛП с меньшим разбросом по времени.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 27

Оптически более плотная среда соответствует центральной области сердцевины, в то время

как менее плотная – границе раздела сердцевина/оболочка.
В этом случае более “быстрые” моды распространяющиеся ближе к центру сердцевины, благодаря градиенту профиля, искусственно “притормаживаются”, что позволяет существенно уменьшить разброс по времени появления лучей на приемной стороне и уменьшить проявление межмодовой дисперсии.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 28

Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется.
Одними

из основных факторов искажений сигналов, распространяющихся по одномодовым оптическим волокнам являются хроматическая и поляризационная модовая дисперсии.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 29

Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и

различием скоростей распространения отдельных спектральных составляющих оптического сигнала. Хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной дисперсии, и проявляется как в одномодовых, так и многомодовых оптических волокнах.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 30

Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина

оптического волокна – кварца и легирующих добавок.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 31

Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины

волны, характер которой определяется формой профиля показателя преломления оптического волокна.
Указанная зависимость определяется пространством, занимаемым модой по отношению к профилю показателя преломления волокна.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 32

Результирующее значение хроматической дисперсии Dch складывается из материальной Dmat и волноводной

Dw составляющих.

SSF (G.652)

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 33

Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет соответствующим образом изменить итоговую

спектральную характеристику хроматической дисперсии.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 34

Поляризационная модовая дисперсия (PMD – Polarization Mode Dispersion) является следствием

двулучепреломления (анизотропии), которое заключается в зависимости показателя преломления от состояния поляризации света.
Двулучепреломление обусловлено нарушением круговой симметрии геометрических характеристик или внутренних механических напряжений оптических волокон

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 35

В общем случае основную моду распространяющегося в сердцевине одномодового волокна

оптического излучения можно представить в виде суперпозиции двух ортогонально-поляризованных мод.
В идеальных волокнах постоянные распространения данных мод одинаковы.
В реальных волокнах, вследствие воздействия различных факторов, образуются “быстрая” и “медленная” оси, вдоль которых моды ортогональной поляризации распространяются с разной скоростью и, соответственно, приходят к концу некоторого участка оптического волокна в разное время.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 36

Другими словами, моды разной поляризации приходят с определенной задержкой относительно друг

друга, которая получила название дифференциальная групповая задержка (DGD – Differential Group Delay).

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 37

Основные источники двулучепреломления можно условно разделить на внутренние и внешние.
Внутренние

источники возникают, в основном, в процессе производства волокна: его вытяжки из заготовки и наложении защитно-упрочняющего покрытия.
Внешние источники возникают как в процессе производства оптического кабеля (например, укладка ОВ в модули, скрутка модулей при формировании сердечника ОК), так и при строительно-монтажных работах, а также в процессе эксплуатации ОК ВОЛП.

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Слайд 38

Внутренние источники двулучепреломления
Яблочкин К.А.
«Современные коммуникационные системы»

Слайд 39

Внешние источники двулучепреломления
Яблочкин К.А.
«Современные коммуникационные системы»

Слайд 40

Кроме того, воздействия также можно разделить на две группы:
статические (несовершенство технологии

производства волокна, кабеля; механические деформации при строительстве);
динамические (вариации температуры окружающей среды, динамическая деформация волокон).

Яблочкин К.А.

«Современные коммуникационные системы»

Физические основы передачи оптического излучения по волоконным световодам

Содержание

С одной стороны свет – электромагнитная волна.2) С другой стороны –

В настоящее времядля передачи информациипо оптическим волокнам используетсяближний ИК – диапазон:6

Распространение лучей света вдоль ОВ основано на явлениях отражения и преломления

rn(r)n1n2n1 > n2Профиль показателя преломления (ППП) ОВ –зависимость показателя от поперечной

Законы Снеллиуса: скорость света в среде сердцевина - более плотная оптическая

«Современные системы телекоммуникаций»Яблочкин К.А.Передача оптического излучения по световоду осуществляется за счет

Явление полного внутреннего отражения определяет условия ввода излучения в световод и

Числовая апертура ОВ:Нормированная частота ОВ:- параметр, определяющий число мод ОВ- рабочая

φкр – критический угол падения , ΘA – апертура ОВ.С ростом

1 – направляемая мода; 2 – световой конус; 3 – оптическая

Из-за неидеальности диаграммы направленности источникаизлучения часть лучей может не попасть в

Важнейшими параметрами передачи являются: затухание и дисперсия«Современные системы телекоммуникаций»Яблочкин К.А.

ЗАТУХАНИЕОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН«Современные системы телекоммуникаций»Яблочкин К.А.

Затухание – потеря мощности оптическогосигнала при распространении по ОВРэлеевское рассеяние –

Основные причины и составляющиезатухания ОВгде αп – потери на поглощение;αр –

«Современные системы телекоммуникаций»Яблочкин К.А.

На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко просматривается резкое уменьшение затухания на

Результирующая характеристика затуханиястандартного ОВ«Современные системы телекоммуникаций»Яблочкин К.А.

Области длин волн вблизи значенийλ = 0,85, 1,31 и 1,55 мкм

Спектральные диапазоны«Современные системы телекоммуникаций»Яблочкин К.А.

ДИСПЕРСИЯОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН«Современные коммуникационные системы»Яблочкин К.А.

Дисперсией оптического волокна называют рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих

Межмодовая дисперсия характерна только для многомодовых оптических волокон. Она возникает в

В ступенчатых многомодовых оптических волокнах траектории лучей отдельных мод имеют

В многомодовых световодах с градиентым профилем показателя преломления траектории распространения большинства

Оптически более плотная среда соответствует центральной области сердцевины, в то время

Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется. Одними

Хроматическая дисперсия Dch обусловлена конечной шириной спектра излучения лазера и

Материальная дисперсия Dmat определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина

Волноводная дисперсия Dw обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины

Результирующее значение хроматической дисперсии Dch складывается из материальной Dmat и волноводной

Очевидно, что подбор профиля показателя преломления позволяет соответствующим образом изменить итоговую

Поляризационная модовая дисперсия (PMD – Polarization Mode Dispersion) является следствием

В общем случае основную моду распространяющегося в сердцевине одномодового волокна

Другими словами, моды разной поляризации приходят с определенной задержкой относительно друг

Основные источники двулучепреломления можно условно разделить на внутренние и внешние. Внутренние

Внутренние источники двулучепреломленияЯблочкин К.А.«Современные коммуникационные системы»

Внешние источники двулучепреломленияЯблочкин К.А.«Современные коммуникационные системы»

Кроме того, воздействия также можно разделить на две группы:статические (несовершенство технологии

Похожие презентации

С одной стороны свет – электромагнитная
волна.
2) С другой стороны –

В настоящее время
для передачи информации
по оптическим волокнам
используется
ближний ИК – диапазон:
6

Распространение лучей света вдоль ОВ основано
на явлениях отражения и преломления

r
n(r)
n1
n2
n1 > n2
Профиль показателя преломления (ППП) ОВ –
зависимость показателя от поперечной

Законы Снеллиуса:
скорость света в среде
сердцевина - более плотная оптическая

«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.
Передача оптического излучения по световоду осуществляется за счет

Числовая апертура ОВ:
Нормированная частота ОВ:
- параметр, определяющий число мод ОВ
- рабочая

φкр – критический угол падения , ΘA – апертура ОВ.
С ростом

Из-за неидеальности диаграммы направленности источника
излучения часть лучей может не попасть в

Важнейшими параметрами
передачи являются:
затухание и дисперсия
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

ЗАТУХАНИЕ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Затухание – потеря мощности оптического
сигнала при распространении по ОВ
Рэлеевское рассеяние –

Основные причины и составляющие
затухания ОВ
где αп – потери на поглощение;
αр –

«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Результирующая характеристика затухания
стандартного ОВ
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

Области длин волн вблизи значений
λ = 0,85, 1,31 и 1,55 мкм

Спектральные диапазоны
«Современные системы телекоммуникаций»
Яблочкин К.А.

ДИСПЕРСИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
«Современные коммуникационные системы»
Яблочкин К.А.

Очевидно, что в одномодовых волоконных световодах межмодовая дисперсия не проявляется.
Одними

Основные источники двулучепреломления можно условно разделить на внутренние и внешние.
Внутренние

Внутренние источники двулучепреломления
Яблочкин К.А.
«Современные коммуникационные системы»

Внешние источники двулучепреломления
Яблочкин К.А.
«Современные коммуникационные системы»

Кроме того, воздействия также можно разделить на две группы:
статические (несовершенство технологии