Вариант 19. Задача №1. Рассчитать параметры полупроводникового лазера , – дифференциальный квантовый выход, ширину спектра излучения, – скорость модуляции. Построить ватт-амперную характеристику. Исходные данные:
Параметры полупроводникового лазера рассчитываются по следующим выражениям: , где – заряд электрона, – вероятность излучаемой рекомбинации, – коэффициент пропорциональности зависимости коэффициента усиления носителей, – толщина активной области, – ширина и длина активной j области, – коэффициент оптического ограничения, – концентрация носителей, при которой гасится поглощение между зонами и возникает усиление, – потери в активной среде, – коэффициентное отражение зеркал для полупроводникового лазера с резонатором Фабри-Перо, – показатели преломления активной, пассивной и внешней среды соответственно. Дифференциальный квантовый выход определяется выражением:
Ширина излучения спектра равна:
– длина волны, – ширина запрещённой зоны материала полупроводника. Максимальная скорость передачи, обеспечиваемая лазером, определяется частотой электронно-фотонного резонатора.
Задача №2. Рассчитать потери в элементах волоконного тракта, потери в волноводном световоде, потери в разъемных и неразъемных соединениях, потери при соединении источника излучения и волоконного световода. Тип источника излучения – СЛД (суперлюминесцентный диод) Ширина спектра излучения Тип волоконногосветовода – Г (градиентный) Параметр G источника излучения 5 Среднее поперечное смещение в соединителях Среднее угловое смещение в соединителях Тип фотодетектора – PIN Длина волны источника излучения Диаметр сердцевины световода Числовая апертура Показатель преломления сердцевины Разность показателей преломления сердцевины и оболочки Потери на соединение световод – фотодетектор Потери на разъёмных соединениях Решение: Затухание в соединениях определяется следующим выражением : αi= αф+ αa+ αNa+ αd+ αD+ αθ+ αq, где αф - затухание из-за френелевского отражения; αa - затухание из-за различия радиусов соединяемых ВС; αNa - затухание из-за различия в значениях числовых апертур; αd - затухание из-за несоосностисоединяемых ОВ; αD - затухание из-за зазора между ОВ; αθ - затухание из-за углового смещения; αq - затухание из-за различного профиля волокна. Соединение может быть разъемным и неразъемным (сварным). Неразъемные оптические соединения обеспечивают минимальный уровень оптических потерь в пределах 0,1...0,5 дБ в зависимости от типа волокна и технологии изготовления соединения. В этом случае затухание вследствие френелевского отражения и из-за зазора между волокнами равно нулю. Затухание из-за зазора между соединяемыми волокнами за малостью можно не учитывать также и в разъемных соединениях. Относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки:
Затухание за счёт френелевского рассеяния:
Потери на соединениях для градиентного ВС:
Затухание в соединениях:
Затухание при возбуждении ВС от источника излучения:
Затухание за счёт поглощения:
– тангенс угла диэлектрических потерь
Собственное затухание:
Задача №3. 20. Оптические волокна со ступенчатым распределением показателя преломления.
Волокно со ступенчатым распределением профиля показателя преломления – исторически первый тип оптического кабеля (рис.1).
Рис. 1. Распространение света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым распределением профиля показателя преломления
Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии. В связи с этим полоса пропускания ступенчатого волокна не превышает 10 МГц/км, что делает невозможным передачу видеосигнала на большие расстояния. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления (рис.2). В таком волокне значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям, по закону
где πo = (n1-n2)/n1; a - радиус сердцевины оптоволокна. Благодаря этому, моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей (межмодовая дисперсия) существенно меньше, чем в многомодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. За счет этого полоса пропускания градиентного волокна возрастает до 600 МГц/км. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию в многомодовом волокне не удается, что объясняется как несовершенством профиля показателя преломления, так и наличием спиральных мод, возникающих вследствие осевой симметрии оптоволокна. Областью применения многомодового градиентного волокна являются в основном внутриобъектовые сети с дальностью передачи видеоинформации до 10 км.
Рис.2.Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления
Число мод в многомодовом волокне определяется через нормализованную частоту или V-параметр волокна: V = π d n1 λ-1 (2Δ)1/2 где π = 3,14 ; λ - длина волны излучения; d - диаметр сердцевины Для ступенчатого волокна число мод определяется выражением , для градиентного с параболическим профилем показателя преломления оно вдвое меньше:
Для типичного многомодового волокна V=50, что соответствует 1250 модам в ступенчатом волокне и 625 в градиентном. Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи видеосигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна, оптические параметры которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода (рис.3.). Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается материальной дисперсией. Одномодовые волокна (SingleModeFiber) имеют сердцевину диаметром 8.5 - 10 мкм и используются в системах передачи видеосигналов на большие расстояния. В них используются лазерные источники излучения с длинами волн 1300 и 1550 нм при ширине спектра несколько нм.
Рис. 3. Структура одномодового оптического волокна
Нормализованная частота (V-параметр) для одномодового волокна V<2,4048. Это условие можно использовать при выборе значения d для получения одномодовых волокон, рассчитанных на определённую длину волны λ. Целесообразно работать с одномодовыми волокнами при V=2,4048, что позволяет иметь максимальный диаметр сердцевины d. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. Таким образом, при употреблении понятий много- и одномодовости следует понимать характеристики волокна относительно конкретной длины волны. Однако, при случайных флуктуациях d одномодовый режим может нарушаться. Чтобы этого избежать, используют волокно с W-образным профилем показателя преломления (см. рис.4), так что n1 > n2 > n3:
Рис.4.Структура оптоволокна с W-образным профилем.
Длина волны отсечки λ c определяется соотношением:
для данного волокна, имеющего определённые d, n1 и Δ. Для любой длины волны λ> λ c волокно всегда будет одномодовым. Для λ < λ c волокно становится многомодовым. Оптический сигнал, распространяясь по волоконно-оптической линии, испытывает потери (уменьшение мощности) вследствие поглощения и рассеивания света в волокне из-за взаимодействия с веществами сердцевины и оболочки. Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия, накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны источника света. Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном, определяется нарушением геометрической формы оптического волокна. Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества материала, из которого изготавливается сердцевина оптоволокна, но и от качества оболочки, так как часть оптического сигнала распространяется и в ней. Борются с этим явлением путем нанесения на оболочку поглощающего покрытия. Применять чрезмерно длинные волны невозможно, так как в этом случае резко возрастают потери на нагрев световодов, а поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина. С другой стороны, безграничное уменьшение длины волны приводит к возрастанию потерь на рассеивание сигнала. Именно баланс рассеивания и поглощения света определяет диапазон применяемых волн в оптоволоконных технологиях. Теоретически лучшие показатели достигаются на пересечении кривых поглощения и рассеивания. На практике зависимость затухания несколько сложнее и связана с химическим составом среды, в которой распространяется волна. В световодах основными химическими элементами являются кремний и кислород, каждый из которых проявляет активность на определенной частоте волны. В итоге в материале существует несколько областей с пониженным затуханием, которые называются окнами прозрачности, в которых функционируют оптические линии связи (рис.5). Это название во многом условно, так как выбор диапазонов определялся не только затуханием но и параметрами используемых излучателей и приемников. Наиболее часто оптические кабели работают на длинах волн 0,85, 1,3 и 1,55 мкм. Диапазон длин волн 850 нм использовался наиболее широко, так как излучатели и приемники на этот диапазон наиболее дешевые. В спектральной области 1300 нм существенно более низкие потери, но излучатели более дорогие.
Рис.5.Зависимость затухания от длины волны
Литература
1. Алишев Я. В. Многоканальные системы передачи оптического диапазона. – Мн.: Выш. шк., 1986.- 238 с. 2. Алишев Я.В., Урядов В.Н., Синкевич В.И. Проектирование оптических систем передачи.- Мн.: МРТИ, 1991.-96 с. 3. Оптические системы передачи: Учебник для вузов/ Б.В. Скворцов, В.В. Иванов, В.В. Крухмалев и др.; Под ред. В.И. Иванова.- М.: Радио и связь.- 1994. - 224с. 4. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи - М.: Салон-Р, 2001г.-226с.
