Реферат: Волоконно-Оптические Линии Связи

Министерство Путей Сообщения

Московский ГосударственныйУниверситет

Путей Сообщения

(МИИТ)

РЕФЕРАТ

Волоконно Оптические

Линии Связи

Преподаватель:Никитенко В. А.

Студент:Долгачев И. Н.

Группа:ЭВМ-111

Москва 1996 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Глава первая

СВЕТ ПЕРЕНОСИТИНФОРМАЦИЮ

Глава вторая

От спектра ккогерентности

2.1 ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?

2.2 ЦВЕТ, ДЛИННАВОЛНЫ, ЧАСТОТА — ТРИ ХАРАКТЕРНЫХ ПАРАМЕТРА СВЕТА

2.3 СПЕКТРЫИСТОЧНИКОВ СВЕТА

2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТВ ОПЫТАХ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Глава третья

ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТПРИРОДУ

3.1 КАК ОБРАЗУЕТСЯНЕКОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ

3.2 ЛАЗЕР КАКИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

3.3 ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬКОГЕРЕНТНОСТИ ТРЕБУЕТ ЗАТРАТ

3.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙЛАЗЕР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Глава четвертая

УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ

4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕВОЗМОЖНОСТИ

4.2 МОДУЛЯЦИЯИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

4.3 КАК ПЕРЕДАЮТСВЕТ?

4.4 РАСПРОСТРАНЕНИЕСВЕТА ПРИ ПОЛНОМ ОТРАЖЕНИИ

Глава пятая

СВЕТОВОД — ПОСРЕДНИКМЕЖДУ ПЕРЕДАТЧИКОМ И ПРИЕМНИКОМ

5.1 ОСЛАБЛЕНИЕОЗНАЧАЕТ ПОТЕРЮ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

5.2 РАЗНИЦА ВОВРЕМЕНИ ПРОБЕГА ОГРАНИЧИВАЕТ

ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИИ СВЯЗИ

5.3 ПРОПУСКНАЯСПОСОБНОСТЬ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

5.4 ОПТИЧЕСКИЕКАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА

Глава шестая

ИСТОЧНИКИ СВЕТА —СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И ЛАЗЕР

6.1 ЧТО ОЗНАЧАЕТИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ?

6.2 ТИП ИСТОЧНИКАОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ

6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДАСВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

6.4 СРОК СЛУЖБЫИСТОЧНИКОВ СВЕТА

6.5 ЛАЗЕР ИЛИСВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?

Глава седьмая

СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НАПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ

7.1 НЕОБХОДИМОСТЬПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

7.2 ФОТОДИОДЫИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ

7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ

7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТБЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?

Глава восьмая

МНОГОЦЕЛЕВАЯАБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ

Глава первая

СВЕТ ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ

У человека имеется пятьорганов чувств, но один из них особенно важен — это зрение. Глазами человеквоспринимает большую часть информации об окружающем его мире в 100 раз больше,чем посредством слуха, не говоря уже об осязании, обонянии и вкусе.

Далее человек заметил”посторонний источник света” — солнце. Он использовал огонь, а затем различныевиды искусственных световых источников для подачи сигналов. Теперь в рукахчеловека был как световой источник, так и процесс модуляции света. Онфактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи илиоптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор,оптическую кабельную линию и приемник (глаз). Определив в качестве модуляциипреобразование механического сигнала в оптический, например открытие и закрытиеисточника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс — демодуляцию: преобразование оптическогосигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.

Такая обработка можетпредставлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательностьэлектрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процессобработки как последнее звено цепи.

Другим, очень важнымпараметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Онхорошо приспособлен к восприятию ианализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простымиколебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду.

Используют в качестве световых приемниковтехнические устройства — фотоэлементы или фотодиоды.

1 4

2 3

Простоесветовое переговорное устройство:

1–микрофон;2,3–усилители; 4–телефон

Глава вторая

От спектра к когерентности

2.1 ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?

Сегодня знание природы светауглубилось незначительно. Физики сошлись лишь во мнении о том, что светобъединяет в себе оба свойства: корпускулярную природу и типичные свойстваволнового процесса, которые представляютвнешние признаки одной и той же физической реальности.

2.2 ЦВЕТ, ДЛИННА ВОЛНЫ, ЧАСТОТА — ТРИХАРАКТЕРНЫХ ПАРАМЕТРА СВЕТА

Важным параметром светаявляется его длина волны. Под этим подразумевается расстояние между двумяположительными или отрицательными максимумами последовательности колебаний.

Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его частотой.

где <img src="/cache/referats/5843/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><img src="/cache/referats/5843/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/5843/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1031">

2.3 СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Чтобы понять различияисточников света, которые применяются в качестве передатчиков в устройствахоптической техники связи, остановимся прежде всего на свойствах обычных источниковсвета.

В обычной лампе накаливанияне одна, а огромное количество различных длин волн, причем можно указатьприближенно лишь крайние значения области длин волн. Внутри этой области лежитосновная доля энергии излучения. Длины волн за пределами этой области изучаютсяслабо, т.е. являются длинами волн с малыми составляющими мощности. Внутриобласти излучения (которая в лампе накаливания простирается приблизительно отвидимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные длины волн расположенытак, что они не различаются измерительными приборами. В этом случае говорят о непрерывном спектре излучаемого света.Который, в свою очередь может стать спектромпоглощения, если вырезать участки длин волн из непрерывного спектраизлучения.

2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ В ОПЫТАХ ПОИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Для всех волновых процессовнаиболее значительно и характерно явление интерференции.Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой фазой, это означает, чтомаксимумы колебаний обоих процессов точно совпадают и оба процесса складываютсяи усиливаются. Однако если между обоими процессами имеется разность фаз илиразличие по расстоянию точно на половину длинны волны, т. е. совпадает максимумодного колебания с минимумом другого и оба имеют одинаковую мощность, топроцессы гасят друг друга.

Свойство естественныхисточников света, которые никогда между собой не интерферируют, так как ихфазовые состояния постоянно претерпевают случайные и быстрые колебания,называется некогерентностью. Хотясветовые лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются электромагнитнымиколебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и соответственно болеевысокой частотой, они отличаются от радиоволн именно свойством некогерентности.

Радиопередатчики генерируюткогерентное излучение. Положение фазы их колебаний в течение длительноговремени настолько постоянно, что приемные устройства используют это свойство иизвлекают из него пользу. Без свойства когерентности не могли быфункционировать мощные электрические системы связи.

Глава третья

ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТ ПРИРОДУ

3.1 КАК ОБРАЗУЕТСЯ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ

Одиночные атомы излучаютсветовые импульсы спонтанно и несинхронно, т. е. независимо друг от друга ипоэтому в целом некогерентно.

Обратимся к атомной моделиБора, проложившей новые пути в развитии физики и побудившей ученых к новымисследованиям природы светового излучения. Исходным пунктом для этого былспектральный анализ газов. В газовой трубке с двумя впаянными на концахэлектродами наблюдалось свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране анализатора спектранаблюдалось множество дискретных линий на определенных расстояниях, т. е. приопределенных длинах волн. Расположение этих линий зависело от состава газа,которым была наполнена трубка.

Швейцарский математикБальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты измеренных спектральных линийописываются следующим простым уравнением:

где n, m – целые числа; R – константа, не зависящаяот состава газа, <img src="/cache/referats/5843/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1033">

Спустя 26 лет после открытияБальмера Нильс Бор установил фундаментальнуютеоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным квантом излучения.Количественное значение кванта излучения <img src="/cache/referats/5843/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> было найдено МаксомПланком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретируетэнергию светового излучения как целое кратное определенным минимально возможнымпорциям энергии hf, где f – частота энергии излучения. Из ранееприведенных рассуждений вытекает знаменитая атомнаямодель Бора. Вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитахвращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы – электроны. Уводорода – элемента с наиболее простым строением атома – имеется только одинэлектрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.

Если к атому водородаподвести внешнюю энергию, то электрон может быть поднят на следующую, болеевысокую орбиту. Радиусы орбит относятся согласно Бору как квадраты целых чисел,т. е. как 1: 4: 8 и т. д. При этом для каждого скачка между двумя орбитамитребуется энергия, точно соответствующая кванту Планка, тогда начальная орбитаБора остается без электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты неявляются для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время изатем возвращается на первоначальную орбиту – прямо или “по ступенькам”. Иподобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокуюорбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которыезафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определеннымэнергетическим уровням) в модели атома. Освободившаяся энергия согласноуравнению Планка проявляется как излучение определенных частот.

3.2 ЛАЗЕР КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОГОИЗЛУЧЕНИЯ

Молекулам и атомнымкомплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не стольпростые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Преждевсего различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетическиесостояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, какправило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетическиеобласти (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельныеединичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее“запрещены”, т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать несовсем буквально).

В качестве примера можнобыло бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома,которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера— в рубиновом лазере.

В этой связи отметим дватаких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень <img src="/cache/referats/5843/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> и состояние <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1036"><img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> на основной <img src="/cache/referats/5843/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> мог бы бытьустойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> электрон можетудерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении сдлительностями пребывания в других нестабильных состояниях <img src="/cache/referats/5843/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> это — длительноевремя.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важнов работе лазера: оно придает метастабильному состоянию <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> свойства накопителяэнергии.

Если стержневидный рубиновыйкристалл <img src="/cache/referats/5843/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> с добавлением ионовхрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Преждевсего в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня <img src="/cache/referats/5843/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> переносятся вэнергетическую зону <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> (не прямо, а черезнеустойчивую энергетическую зону <img src="/cache/referats/5843/image040.gif" v:shapes="_x0000_i1046">инверсии населенностей(электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильнонаселенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

С этого состояния начинаетсяцепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемаяслучайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов.Такой атом случайно переходит из состояния <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> в состояние <img src="/cache/referats/5843/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> и при этом отдаетэнергию излучения — сравнительно короткую последовательность колебаний, но всеже достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристаллвторой возбужденный атом. Частота этогоколебания определяется по закону Планка разностью энергий <img src="/cache/referats/5843/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1050"> и <img src="/cache/referats/5843/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> и соответствует длиневолны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся ввидимой области спектра.

Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Индуцированное колебание согласуется почастом и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основаниемможно говорить об “усилении света индуцированной эмиссией излучения”. Отсюдапроизошло слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.

Если в установившемся режимеэнергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь напоглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторес обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительныминепрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристаллепостоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести наодну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то частьэнергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного светового излучения.

В первые годы твердотельныелазеры применялись главным образом в импульсномрежиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которыепериодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световымиимпульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. Вкачестве примера, разработанного в то время лазеранепрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG),ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гранат <img src="/cache/referats/5843/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> с примесью неодима.Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 — 810 нм, основной лазерныйпереход — на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)

3.3 ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬ КОГЕРЕНТНОСТИТРЕБУЕТ ЗАТРАТ

Описанныйнеодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов,применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие материалы; требуется лишь,чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладалиметастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временемжизни. Возбуждение этого состояния должно осуществляться с высоким КПД (чтообусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал долженобладать малыми оптическими потерями.

Некоторые газы хорошосоответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболееизвестных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь изгелия и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрическогоразряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятковсантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными вкорпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубкивозникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы прежде всегоперевести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в своюочередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительномколичестве атомы неона. Эти атомы неона создают при описанномсинхронизированном обратном переходе в основное состояние индуцированноеизлучение.

Техническим условием нарастанияданного процесса в свою очередь является наличие оптического объемногорезонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере принанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе торцевые поверхностикристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отличается отактивного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначалазакрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем — оптическиточно выверенная — вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешнимизеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренниезеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере одно иззеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор(«

окноБрюстера»).

Так как длина волныгенерируемого лазером света определяется разностью энергетических уровнейсоответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременнонесколько таких излучающих переходов), возможно излучение света различных длинволн. Так, лазер на He–Ne может принципиально излучать на трех различных длинахволн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волнысоответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеютсявозбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трехвозможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазерананесением частотноселективной пленки на зеркало.

Параметр

Гелий–неоновый

лазер (He-Ne)

Аргоновый

лазер (Ar)

Длина волны излучаемого света, мкм

0,6328

1,15

3,39

0,488

0,515

10,6

9,6

Достигаемая выходная мощность, Вт

КПД, %

0,01–0,1

0,01–0,2

1–20

В таблице приведены наиболееизвестные газовые лазеры. Необходимо подчеркнуть широту области изменения ихпараметров. Однако все газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которомувначале придавали большое значение, оказалось при близком рассмотрении ненужным.Гораздо важнее когерентности для световой передачи сообщений оказалась простотавозможности модуляции света, и какраз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.

Модуляция газового лазерасоздается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигаетсямодуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляцииограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосымодуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собоймалый интерес для техники связи.

3.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР,ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

Кроме названныхсущественными недостатками газового лазера являются его размеры, механическаянепрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие напряжения и,наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью газоразряднойтрубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в современнойсистеме связи, тем более если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковойтехники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы,которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня заредким исключением исчезли и представляют только исторический интерес. Полупроводниковый прибор господствует вширокой области электроники, требует невысоких рабочих напряжений и меньших (нанесколько порядков) мощностей.

К этой элементной базе можетбыть отнесен только один источник света, который также построен на принципахполупроводниковой техники и изготовляется по такой же или аналогичной технологии,— полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазеротличается от газового и твердотельного лазеров способом возбуждения. Оннакачивается не световой энергией, а непосредственно электрической. К одному изp-n переходов, известных из полупроводниковой техники, прикладываетсянапряжение в направлении проводимости. Оно вызывает ток и путем нарушенияравновесия носителей зарядов (электронов и дырок) — желаемую инверсиюнаселенностей энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом,полупроводник накачан, он запас энергию.

Если спонтанно и случайнопроизойдет переход от такого возбужденного состояния атомов в основноесостояние (рекомбинация носителей заряда), то излучаемый свет будетнекогерентен. Его мощность тем выше, чем больше прикладываемое напряжение, чембольше ток через p-n переход и чем больше число возбужденных атомов. В этомсостоянии такой прибор еще не лазер, а светоизлучаючий диод.

Однако если повышать далееток через переход, то при определенном токе при наличии обратной связи будетдостигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения,являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом так называемомпороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение, это означает, чтовыходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием токаего мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.

В твердотельном и газовомлазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптическихрезонаторов. В полупроводниковом лазере объем резонатора много меньше: p-nпереход, в области которого образуется индуцированное излучение, имеет толщинуменее 1 мкм и ширину несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при такихгабаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокийкоэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется вкачестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет реализоватьфункцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить кристаллполупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности излома работают аналогичноотражателям оптического резонатора.

Глава четвертая

УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ

4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Когда к началу 60-х годовпоявились первые пригодные к эксплуатаций лазеры, стало очевидным, что светпредстал в новом качестве — когерентное электромагнитное колебание на несколькопорядков раздвинуло границы применяемого в технике связи диапазона частот.Оптимистические расчеты едва или можно было опровергнуть: длины волн около 1мкм соответствуют частоте <img src="/cache/referats/5843/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> Гц. Если приняты лишь1% этого значения в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулироватьданное колебание, то получим значение 3000 Ггц. Это соответствовало быприблизительно миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионныхпрограмм, которые можно было бы передать одним единственным световым лучом!Известно, что самый лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводникамиобладает едва ли одной тысячной долей этой пропускной способности и что вбудущем крайне необходимо будет передавать информацию очень большого объема.Число телефонных абонентов в мировойтелефонной сети постоянно и неудержимо растет, а растущие хозяйственные ипромышленные отношения между странами и континентами требуют все большекачественных каналов связи. Когда же в сферу рассмотрения перспективныхпроектов включили возможность использования видеотелефона(а передача одного-единственного изображения требует почти тысячекратнойпропускной способности по равнению с телефонным сигналом), то стало необходимымсчитаться с сильно возросшей потребностью в каналах передачи информации.

4.2 МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Горизонтально натянутаяструна соответствующим возбуждением на одном конце приводится в колебательноесостояние. Волна распространяется вдоль струны и может быть зарегистрирована надругом конце. Такая механическая волна может быть понята как модель световойволны, которая движется от источника света к приемнику. Горизонтально натянутаяструна может быть возбуждена по-разному — отклонение струны может происходить или в вертикальной, или вгоризонтальной плоскости. Когда речьидет о световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первомслучае о вертикальной, а во второмслучае – о горизонтальной поляризации волны. Если горизонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной временнойпоследовательности, то это приводит к круговой поляризации электромагнитныхколебаний. Для приемника колебаний на другомконце линии это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно.Так же как и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации светаи регистрирует только мощность света (в модели — степень отклонения струны); онне различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Однако имеются оптическиеэлементы, которые реагируют на поляризацию света. Их называют поляризационными фильтрами. Будучипоставлены в определенном положении относительно направления распространениялуча, они становятся светопроницаемыми для определенного вида поляризации, длясвета же с направлением поляризации, повернутым на <img src="/cache/referats/5843/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1059">

Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеетсявозможность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, всоответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала. Осуществитьтакую модуляцию можно с использованием известного электрооптического эффекта:если послать луч света через кристалл определенного состава и к немуперпендикулярно направлению распространения света приложить электрическое поле,то плоскость поляризации света тем больше поворачивается в зоне действия поля,чем выше его напряженность, т. е. чем выше приложенное для создания поля напряжение.

Для этой цели подходятмонокристаллы дигидрофосфат аммония <img src="/cache/referats/5843/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> и дигидрофосфат калия <img src="/cache/referats/5843/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1061">

Описанным эффектомобъясняется механизм действия электрооптическогомодулятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризованустройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под угломБрюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью поляризационногофильтра.

Линейная модуляция преждевсего преобразуется в круговую модуляцию с помощью так называемойчетвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта модуляция в зависимости отсигнала становится более или менее эллиптической. На выходе поляризационногофильтра затем получается свет, модулированный по интенсивности. Если кэлектродам кристалла не приложено напряжение, то направление поляризации вкристалле не меняется и ориентация подключенного поляризационного фильтрасоответствует плоскости поляризации света, выходящего из лазера (или послемодулятора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным.Но если напряжение на электрооптическом кристалле повышается и при этомувеличивается угол поляризации выходящего света, то через поляризационныйфильтр проходит уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на <img src="/cache/referats/5843/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> второй фильтрполностью поглощает излучение и на выходе устройства образуется темнота.

Подобные модуляторы подходяттакже для очень быстрых изменений прилагаемого модулирующего напряжения. Онипреобразуют передаваемый сигнал в полосе выше 1 ГГц, гораздо большей, чем этобыло возможно электрическими методами.

Модуляция интенсивностилазерного излучения без модуляции направления поляризации несомненнопредставляла бы собой технически более изящное решение. Кроме описанногоконструктивного принципа (так называемой внешнеймодуляции лазера) можно реализовать другие варианты. Кристалл можно былобы, например встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтисьзначительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция). Тем самым устранялся бы существенный недостатоккристаллических модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционнымихарактеристиками: потребность в больших напряженностях управляющего поля исоответственно высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).

В результате развитиялазерной техники выяснилось, что для инженера простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостаткигазового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили всистемах связи потери в приемнике прямого усиления. Поэтому газовый лазер восновном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи иосвободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с учетомряда их недостатков, которые можно было устранить только в процессепоследовательной неустанной работы по их совершенствованию.

4.3 КАК ПЕРЕДАЮТ СВЕТ?

Когда задача быстроймодуляции излучения газового лазера не была еще как следует решена, все же былаясна ее принципиальная возможность. Однако в 60-е годы еще нельзя было твердосказать о решении важной проблемы — проблемы передачи модулированного света от одного места к другому. Только вкосмосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в немраспространяется без ослабления. Когда удается очень сильно сфокусировать свет,т. е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для когерентногосвета), то можно в полном смысле слова перекрыть астрономические расстояния.(Правда, мы не говорим о скрытой стороне этого положения. Необходимо послатьнеобычайно узкий световой луч и достигнуть далеко отстоящий пункт с максимальновозможной световой мощностью, поэтому требуется очень высокая стабильностьрасположения передатчика, и положение приемника должно быть точно известно.)

Что касается свойств атмосферы как передающего канала длямодулированных световых лучей, то она является, очевидно, ненадежной средой ссильно и

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Цветная стереотелевизионная камера

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Электрические фильтры

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Способ определения живучести связи (вероятности связности)

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Радиорелейная связь

29 Августа 2013