Передача информации

 Для передачи световой информации широко используются устройства, получившие название световодов. Из этого многообразия устройств выделяются два типа: одножильный световод, называемый оптическим волокном (оптоволокном), представляющий собой тонкую сердцевину (от нескольких микрон до сотен микрон) и окружающую ее оболочку и многожильные световоды, представляющие собой "спеченое" в один жгут множество одножильных световодов - волокон или пучков световодов. Световые жгуты могут содержать десятки тысяч волокон.

Одножильные световоды используются для передачи кодированной информации в средствах связи. Многожильные - для передачи изображения из труднодоступных мест, для преобразования формы светового пятна, для исправления кривизны поля и дисторсии изображения в широкоугольных объективах, для зашифровки передаваемого изображения.

Работа световодов основана на явлении полного внутреннего отражения, которое возникает, если излучение из оптически более плотной среды с показателем преломления n1 попадает в оптически менее плотную с показателем преломления n2<n1 (см. рис.1в).

   

 а) б)

 


 в)

Рис.1.Варианты прохождения света через границу двух сред. (n1 > n2)

При падении света на границу двух сред, часть света проходит во вторую среду, отклоняясь от нормали к границе сред на угол φ1 (Sinφ1 = (n1*Sin φ) /n2), а часть отражается от границы под углом, равным углу падения φ (см. рис.1а). Если угол падения φ увеличивать, то наступит ситуация, при которой преломлённый свет будет распространяться вдоль границы (φ1 = 900). В этом случае свет во вторую среду выходить не будет (см. рис.1б). Соответствующий угол падения называется предельным (критическим) и определяется из выражения Sin φкр = n2 /n1 . Для сред стекло-воздух этот угол составляет порядка 340 - 440. Для волоконно-оптических систем разница в показателях преломления сердцевины и оболочки составляет порядка 0,01, что приводит к критическим углам большим 800 . При дальнейшем увеличении угла падения φ весь падающий свет будет отражаться от границы и оставаться в первой среде (см. рис.1в). На этом свойстве полного внутреннего отражения света основана работа всех волоконно-оптических систем.

На рис.2 показан ход лучей в оптическом волокне, состоящем из сердцевины и оболочки, с нарушением полного внутреннего отражения (луч I) и без нарушения (луч II). Показатели преломления сердцевины и оболочки - nс и nоб соответственно, причем nс > nоб. (Преломлением лучей на торцах волокна в данном рассмотрении пренебрегаем.)

Рис.2.Ход лучей в оптическом волокне: луч 1 не испытывает полного внутреннего отражения; луч II испытывает полное внутреннее отражение.

При нарушении полного внутреннего отражения на границе сердцевина – оболочка (луч 1 на рис.2), свет из сердцевины  входит в оболочку, часть его может покинуть волокно, часть снова войти в сердцевину, т.е. свет распространится по всему объему волокна, уменьшая при этом энергию сигнала на выходе волокна. Если нет нарушения полного внутреннего отражения (луч II на рис.2), весь свет при его распространении к выходному торцу волокна остается в сердцевине.

В световом жгуте каждое волокно работает самостоятельно, как одножильное волокно.

В практическом применении светового жгута и волокна существуют определенные отличия. Жгут используется для передачи информации на малые расстояния (несколько метров), волокно - при передаче информации на очень большие (тысячи километров). Это обстоятельство предъявляет более высокие требования к характеристикам одножильного волокна, по сравнению со жгутом.

Одним из главных параметров, характеризующих работу световодов, являются потери света. Они определяются по формуле

 δ = -­ 10 lg (1),

где  - коэффициент пропускания светового потока световодом.

Для волокна пропускание определяется для участка длиной в один км. Единица измерения пропускания для жгута - децибел (дБ), для волокна - децибел на км (дБ/км).

Потери обусловлены технологией изготовления волокна (рассеянием света на микронеоднородностях стекла, используемого для изготовления волокна, поглощением света примесями в составе стекла), технологией монтажа (потери на изгибах, френелевские потери, потери на стыках волокна). Для жгута существенный вклад в потери вносит укладка волокон в процессе его изготовления. Для работы оптоволокна на большие расстояния используется свет с длиной волны 1,55 мкм, при которой суммарное действие рассеяния и поглощения света в волокне минимально. На практике сейчас используется волокно с потерями порядка 0,2 дБ/км и разработано - до 0,02 дБ/км.

При достаточно больших углах падения луча света на входной торец световода (угол α на рис.2) нарушается полное внутреннее отражение на границе сердцевина - оболочка. Максимальное значение угла α, при котором лучи света остаются в сердцевине (сохраняется полное внутреннее отражение), называется номинальным (критическим) апертурным углом αкр. Величина NA = n0 Sin αкр , где n0 - показатель преломления среды, из которой свет входит в световод, называется номинальной числовой апертурой. Эта величина характеризует эффективность ввода световой энергии в световод, т.е. чем больше критический угол (соответственно NA), тем больше энергии можно ввести в сердцевину световода и которая останется в ней за счет выполнения условия полного внутреннего отражения. Значения числовой апертуры
важно учитывать при стыковке различных волокон. Если эти значения имеют разную величину, то на стыках возникают потери света.

Для волоконно-оптических систем важна скорость передачи данных. Т.к. передача ведется в импульсном режиме, то важно, чтобы импульс сохранил свою форму, а главное, свою длительность до выхода из волокна. С ростом длительности импульса надо увеличивать расстояние между ними, а это приводит к падению скорости передачи. Импульс обладает определенным частотным спектром, и чем полнее волокно передает частоты этого спектра, тем в большей мере импульс сохраняет свои параметры. Стекло, из которого изготавливается волокно, обладает материальной дисперсией (хроматической дисперсией), т.е. имеет разный показатель преломления для разных длин волн или, другими словами, разную скорость света для разных длин волн. Это явление приводит к тому, что разные составляющие спектра импульса приходят к выходу волокна в разное время, чем меняют форму импульса и увеличивают его длительность. К такому же эффекту приводит межмодовая дисперсия.

Если в сердцевину волокна вводится под некоторым углом плоская волна, то в сердцевине из-за переотражений от границы сердцевина-оболочка образуется суперпозиция (сумма) волн. В результате сложения волн они могут погасить друг друга, т.е. волна, вошедшая в волокно под определенным углом, не будет в нем распространяться. На выходе волокна будет темно. Таким образом, в волокне могут распространяться только определенные волны, которые носят название собственных мод. Порядок моды увеличивается с увеличением угла входа в волокно. Каждая мода (волна) входит в волокно под своим углом и падает на границу сердцевина-оболочка также под своим углом. Чем меньше этот угол, тем больший путь проходит волна в волокне. Наименьший путь пройдет волна, идущая вдоль оси волокна. Таким образом, введенный в волокно импульс света распространяется по волокну в виде набора мод (волн), которые проходят разные расстояния и приходят на выход в разные моменты времени. Форма импульса искажается и его длительность возрастает. Это явление называется межмодовой дисперсией. Для оценки способности волокна передавать импульс, введена характеристика – полоса пропускания. Эта характеристика из-за зависимости от длины волокна носит относительный характер и измеряется в МГц · км. Длительность импульса и ширина его спектра связаны друг с другом обратнопропорциональной зависимостью: чем уже импульс, тем шире его спектр. Если волокно не пропустит весь спектр импульса, его
длительность на выходе увеличится. Поэтому, введя для волокна параметр
– полосу частот, можно с его помощью оценить скорость передачи импульсной информации.

Раздел экспериментального практикума «Передача информации» включает две лабораторные работы, посвященные исследованию параметров одножильного волокна и светового жгута.

Волоконно-оптический световод как среда передачи информации Цель работы: Знакомство с моделью волоконно-оптической системы передачи, основными ее элементами и основными характеристиками волоконно-оптической линии связи на примере многомодового одножильного волокна.

Исследование характеристик светового жгута Цель работы: Знакомство с принципом работы светового жгута и его характеристиками.

В эксперименте в качестве источника излучения (ИИ) используется полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 650 нм. Диафрагма (Д) ограничивает сечение лазерного  пучка до размеров входного торца жгута. Торец жгута может поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет менять угол падения лучей, входящих в жгут. Интенсивность входящего в жгут и выходящего из него излучения измеряется приемником излучения (ПИ).

Какое количество волокон может содержать световой жгут и как количество волокон влияет на разрешение  переданного по жгуту изображения?

Для равновесного излучения, которому можно приписать температуру излучающих тел, можно рассчитать и термодинамические характеристики, например, внутреннюю энергию, давление, энтропию и т.д. Равновесное тепловое излучение однородно, т.е. его плотность энергии одинакова во всех точках внутри полости, где оно заключено. Такое излучение изотропно и неполяризовано - оно содержит все возможные направления распространения и направления колебаний векторов и .
Лабораторные работы по оптоэлектронике Квантовая физика