Volokonno_optuchn_l1njj

Мохунь і.І.

Хвилевідна оптика.

Волоконно-оптичні лінії

та системи передавання

Навчальний посібник

2006

Зміст

	Вступ …....………………………………………………..…....	9
	Частина І. Інтегральна оптика в інформаційній техніці …………………………...................….....	11
1.	Оптичний сигнал і його розповсюдження ........	12
1.1.	Основні рівняння .........................................................................	12
1.1.1.	Рівняння Максвела ......................................................................	12
1.1.2.	Матеріальні рівняння ..................................................................	12
1.1.3.	Хвильове рівняння ......................................................................	12
1.2.	Зміна фази хвилі при її розповсюдженні ..................................	13
1.2.1.	Фазова затримка ..........................................................................	13
1.2.2.	Фазова затримка, що вноситься тонким оптичним елементом ................................................................................................	14
1.2.3.	Фазова затримка, що вноситься тонкою збираючою лінзою...	14
1.3.	Математичні основи аналогових оптичних процесорів ..........	15
1.3.1.	Перетворення Фур’є ....................................................................	15
1.3.2.	Деякі властивості перетворення Фур’є .....................................	15
1.3.2.1.	Теорема зсуву ..............................................................................	15
1.3.2.2.	Теорема масштабу .......................................................................	16
1.3.3.	Згортка і кореляція ......................................................................	16
1.3.3.1.	Геометричне тлумачення згортки і кореляції ...........................	16
1.3.3.2.	Фур’е-образ згортки і кореляції .................................................	17
1.4.	Розповсюдження оптичної хвилі ...............................................	17
1.4.1.	Розповсюдження оптичної хвилі у вільному просторі ............	17
1.4.2.	Реалізація фур’є-перетворення в оптиці і в інтегральній оптиці зокрема ................................................................................	19
2.	Теорія оптичного хвилеводу .....................................	20
2.1.	Плоский хвилевід. Загальний підхід до фізики розповсюдження хвилі у хвилеводі ...........................................................	20
2.2.	Оптико-геометричний підхід до фізики плоского хвилеводу..	23
2.2.1.	Дисперсійне рівняння хвилеводу ...............................................	23
2.2.3.	Ефективна товщина хвилеводу ..................................................	24
2.2.4.	Довжина оптичного “зигзагу” ....................................................	26
2.2.5.	Кількість мод, які можуть розповсюджуватися у хвилеводі ..	26
2.2.6.	Різниця між коефіцієнтами заломлення хвилеводу та оточуючих шарів ..................................................................................	28
2.3.	Реальний хвилевід .......................................................................	28
2.4.	Дисперсія у хвилевідній системі ...............................................	32

2.4.1.	Хроматична дисперсія ................................................................	32
2.4.2.	Модова дисперсія ........................................................................	33
2.5.	Розповсюдження хвиль у градієнтному хвилеводі ..................	34
2.6.	Особливості розповсюдження хвиль в циліндричних хвилеводах .............................................................................................	35
3.	Базові елементи інтегральної оптики. Пасивні елементи …………………………………………………….	37
3.1.	Елементи введення-виведення (інтегрально-оптичні елементи зв’язку) ……………………………………………...........….	37
3.1.1.	Призмовий елемент введення-виведення ……………………..	37
3.1.2.	Решітчастий елемент введення-виведення …………………...	38
3.2.	Планарні оптичні елементи ……………………………………	40
3.2.1.	Лінзи Люнеберга ……………………………………………….	40
3.2.2.	Геодезична лінза ………………………………………………..	40
3.2.3.	Дифракційні лінзи ……………………………………………...	40
4.	Активні елементи інтегральної оптики ………...	42
4.1.	Електрооптичні пристрої ............................................................	42
4.1.1.	Модулятори-перемикачі на основі ефекту тунельної перекачування світла, або модулятори-перемикачі на зв’язаних хвилеводах ………………………………....…………………...	44
4.1.2.	Модулятори-перемикачі інтерференційного типу …………...	45
4.1.3.	Електрооптичні модулятори на основі ефекту Брега ………..	46
4.1.4.	Електроабсорбційні модулятори ………………………………	47
4.2.	Акустооптичні модулятори ……………………………………	47
4.3.	Магнітно-оптичні модулятори ………………………………...	49
4.4.	Генерація світла в системах інтегральної оптики ……………	50
5.	Інтегральна оптика в приладах і пристроях …	51
5.1.	Датчики фізичних величин та пристрої на основі решітчастих елементів введення-виведення ………..............………….	51
5.1.1.	Кутовимірювальні датчики ……………………………………	52
5.1.2.	Хвилевідні фільтри на основі явищ аномального відбивання пропускання …………………………………………………….	54
5.2.	Інтегрально-оптичні пристрої обробки інформаційних сигналів. Принципи оптичної хвилевідної обробки сигналів. Методи побудови ОІС для інформаційної техніки …………..	55
5.2.1.	Типи та основні класи ОІС для обробки інформації ………...	55
5.2.2.	ОІС для обробки сигналів ……………………………………...	56
5.2.2.1.	Інтегрально-оптичні спектроаналізатори високочастотних сигналів ………………………………………………………….	56
5.2.2.2.	Інтегрально-оптичні корелятори ………………………………	58
5.3.	Аналого-цифрові перетворювачі. Чотири розрядний АЦП …	60

5.4.	ОІс для обчислювальної техніки ……………………………...	61
5.4.2.	Приклади побудови логічних елементів ……………………...	63
6.	Нейронні і нейроподібні мережі та їх оптична реалізація ……………………………………………………	65
6.1.	Структура нейронних мереж …………………………………..	65
6.2.	Алгоритм роботи нейронної мережі. Алгоритм Хопфілда ….	66
6.3.	Перспективи розвитку оптичних нейронних мереж …………	68
6.4.	Реалізація оптичних нейронних мереж ……………………….	69
6.4.1.	Оптична нейронна мережа з процесорним ядром у вигляді безопорнрої голограми ………………………………………...	69
6.4.2.	Оптична нейронна мережа з процесорним ядром у вигляді узгодженого фільтра …………………………………………...	70
6.4.3.	Недоліки і переваги обох систем ……………………………...	73
7.	Оптичний зв’язок відкритими каналами ………	74
7.1.	Розповсюдження світла через атмосферу …………………….	74
7.1.1.	Молекулярне поглинання ……………………………………...	74
7.1.2.	Поглинання та розсіювання рідкими або твердими частинками ……………………………………………………………...	74
7.1.3.	Атмосферна турбулентність …………………………………...	74
7.2.	Макрохвилеводи ………………………………………………..	75
	Список літератури ДО ЧАСТИНИ і ……………………	76
	Частина ІІ. Волоконно-оптичні лінії зв’язку. пасивні та активні елементи ВОСП .	77
1.	Фізичні характеристики оптичного волокна ..	78
1.1.	Основні елементи оптичного волокна ………………………...	78
1.2.	Типи і характеристики оптичного волокна …………………..	78
1.2.1.	Профілі показника заломлення ………………………………..	78
1.3.	Властивості оптичних волокон як передаючого середовища .	79
1.3.1.	Поглинання в оптичних волокнах …………………………….	79
1.3.2.	Дисперсія ………………………………………………………..	81
1.4.	Геометричні параметри волокна ………………………………	82
1.4.1.	Відносна різниця показників заломлення ядра та оболонки ...	82
1.4.2.	Числова апертура волокна ……………………………………..	82
1.4.3.	Нормована частота ……………………………………………..	83
1.4.4.	Хвиля відсічки ………………………………………………….	83
1.4.5.	Наближена оцінка міжмодової дисперсії багатомодового волокна ………………………………………………....………….	83
1.5.	Характеристики оптичних волокон згідно з рекомендаціями ITU-T …………………………………………………………….	85
1.6.	Нелінійні оптичні явища в одномодових волокнах ………….	86

1.6.1.	Фазова самомодуляція (ФСМ) та перехресна фазова модуляція (ФКМ) ……………………………….....…………………	86
1.6.2.	Вимушене комбінаційне (Раманське) розсіяння ВКР (SRS) і розсіяння Мандельштама-Бриллюена ВРМБ (SBS) ………….	87
1.7.	Одномодові волокна нових типів виробництва компаній LUCENT TECHNOLOGIES CORNIGS………………………..	88
2.	Оптичні кабелі ……………………………………………..	91
2.1.	Особливості конструкції оптичних кабелів …………………..	92
2.2.	Монтаж оптичних кабелів ……………………………………..	94
2.2.1.	Аналіз втрат, які виникають у процесі монтажу оптичних кабелів зв’язку ………………………………………………….	94
2.2.2.	Методи з’єднання оптичних волокон …………………………	98
2.2.3.	Зварні з’єднання ………………………………………………..	98
2.2.4.	Клейові з’єднання ………………………………………………	99
2.2.4.	Механічні з’єднувачі …………………………………………...	100
2.2.5.	Рознімні з’єднання ……………………………………………..	100
3.	Пасивні оптичні елементи ВОЛЗ ……………………	101
3.1.	Волоконно-оптичні відгалужувачі і розгалужувачі ………….	101
3.1.1.	Зварні відгалужувачі …………………………………………...	101
3.1.2.	Відгалужувачі із градієнтною циліндричною лінзою ………..	102
3.1.3.	Спектрально-селективні розгалужувачі (мультиплексори/демультиплексори) ………………………………………....	103
3.2.	Волоконно-оптичні перемикачі ……………………………….	105
3.2.1.	Електромеханічні перемикачі ………………………………....	105
3.2.2.	Термооптичні перемикачі ……………………………………...	105
3.2.3.	Електрооптичні перемикачі ……………………………………	106
3.1.4.	Оптичні ізолятори ……………………………………………...	107
4.	Активні елементи волз ...................................................	108
4.1.	Джерела випромінювання ..........................................................	108
4.1.1.	Світло діоди .................................................................................	109
4.1.2.	Лазерні діоди (ЛД) ......................................................................	110
4.1.3.	Фабрі-Перо-лазер ........................................................................	111
4.1.4.	Лазери з розподіленим оберненим зв’язком (РОЗ-лазери) і розподіленим брегівським відбиванням (РБВ-лазери) ............	113
4.1.5.	Лазерні діоди із зовнішнім резонатором ...................................	114
4.1.6.	Найважливіші характеристики джерел випромінювання для ВОЛЗ .............................................................................................	114
4.2.	Складові елементи передавального оптоелектронного модуля ...................................................................................................	115
5.	Приймальні оптоелектронні модулі. Ретранслятори, підсилювачі ........................................................	116

5.1.	Приймальні оптоелектронні модулі (ПРОМ) ...........................	116
5.1.1.	Функціональний склад ПРОМ ...................................................	116
5.1.2.	P-I-N-фотодіоди ...........................................................................	117
5.1.3.	Лавинні фотодіоди ......................................................................	118
5.1.4.	Технічні характеристики фотоприймачів .................................	119
5.2.	Електронні елементи ПРОМ ......................................................	121
5.2.1.	Електронні передпідсилювачі і підсилювачі ............................	121
5.2.2.	Вузол вирівнювання ....................................................................	121
5.2.3.	Вузол фільтрації ..........................................................................	121
5.2.4.	Вузол дискримінації ....................................................................	122
5.2.5.	Таймер ..........................................................................................	122
6.	Повторювачі та оптичні підсилювачі …………..	123
6.1.	Типи ретрансляторів …………………………………………...	123
6.1.1.	Повторювачі ………………......................................…………...	123
6.1.2.	Оптичні підсилювачі ...................................................................	124
6.1.3.	Підсилювачі Фабрі-Перо ............................................................	124
6.1.4.	Підсилювачі на волокні, які використовують бріллюенівське розсіювання	125
6.1.5.	Підсилювачі на волокні, які використовують раманівське розсіювання ..................................................................................	125
6.1.6.	Напівпровідникові лазерні підсилювачі ...................................	126
6.2.	Підсилювачі на домішковому волокні. Волоконно-оптичні підсилювачі ..................................................................................	127
6.3.	Інші характеристики ербієвих волоконних підсилювачів .......	129
	Список літератури ДО ЧАСТИНИ іі ..............................	133
	Частина ІІІ. Волоконно-оптичні системи передавання ………………………………………………	134
1.	сигнали та системи передавання ІНФОРМАЦІЇ .	135
1.1.	Системи передавання цифрових сигналів …………………….	135
1.1.1.	Основні поняття і термінологія ………………………………..	135
1.2.	Структура систем зв’язку ……………………………………...	136
1.3.	Способи передавання сигналів ………………………………..	139
1.3.1.	Послідовне і паралельне передавання сигналів ……………...	139
1.3.2.	Синхронне та асинхронне передавання сигналів …………….	139
1.3.3.	Поелементне передавання сигналів …………………………...	139
1.3.4.	Передавання сигналів кодовими комбінаціями …………..…..	140
1.4.	Особливості каналів зв’язку …………………………………...	140
1.4.1.	Особливості аналогових каналів зв’язку ……………………..	140
1.4.2.	Особливості цифрових каналів зв’язку ……………………….	141
1.4.5.	Параметри цифрової системи зв’язку ………………………...	142

2.	Волоконно-оптичні системи зв’язку …………….	144
2.1.	Структура волоконно-оптичної лінії зв’язку …………………	144
2.2.	Переваги використання оптичних волокон у системах зв’язку …………………………………………………………...	144
3.	Проектування (планування) волоконно-оптичної лінії зв’язку …………………………………..	146
3.1.	Аналіз смуги пропускання ВОЛЗ ..............................................	146
3.2.	Втрати і обмеження в лініях зв’язку ..........................................	147
4.	системи передавання інформації ...........................	150
4.1.	Системи зв’язку плезіохронної цифрової цифрової ієрархії ..	154
4.1.1.	Системи зв’язку для ліній зв’язку первинної цифрової ієрархії Е1 .............................................................................................	154
4.1.2.	Системи зв’язку для ліній зв’язку вторинної цифрової ієрархії Е2 .............................................................................................	156
4.1.3.	Системи зв’язку для ліній зв’язку третинної цифрової ієрархії Е3 .............................................................................................	157
4.1.4.	Системи зв’язку цифрової плезіохронної ієрархії Е4 ………..	159
4.2.	Системи і обладнання синхронної цифрової ієрархії ..............	160
4.2.1.	Синхронна цифрова ієрархія та мережі ....................................	160
4.2.2.	Апаратура СЦІ (SDH) .................................................................	161
4.2.3.	Апаратура SDH компанії Lucent technologies ............	165
4.2.4.	Апаратура СЦІ виробництва фірми SIEMENS .........................	167
5.	Методи ущільнення інформаційних потоків ....	168
5.1.	Метод частотного ущільнення (FDM) .......................................	168
5.2.	Метод часового ущільнення .......................................................	169
5.3.	Модове ущільнення .....................................................................	170
5.4.	Ущільнення за поляризацією .....................................................	171
5.5.	Багатохвильове ущільнення оптичних несучих (WDM) .........	171
5.5.	Оптичне часове ущільнення (OTDM) .......................................	175
5.6.	Методи ущільнення каналів за полярністю ..............................	177
	Список літератури до частини ІІІ .............................	179
	Частина ІV. Задачі та практичні питання до курсів “ІО в інформаційній техніці” та “ВОСП”	180
	І. Інтегральна оптика в інформаційній техніці	181
	ІІ. Волоконно-оптичні системи передавання	188
	Додаток 1. Розрахунок регенераційної ділянки ВОЛЗ	194
	Додаток 2. Перевід величини втрат з відсотків до дБ та навпаки	196

Вступ

Волоконно-оптичні лінії і системи передавання (ВОЛП і ВОСП) знайшли саме широке застосування в сучасних системах та мережах телекомунікацій. Це магістральні лінії та системи зв’язку, лінії та системи місцевого зв’язку. На основі ВОЛП все частіше формуються локальні обчислювальні мережі, тощо. Треба відзначити, що на сьогоднішній день, в Україні практично всі магістральні лінії зв’язку вже побудовані на базі волоконно-оптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ). Волоконний кабель замінює мідний і для міжстанційних з’єднаннях в обласних центрах та великих містах нашої країни.

Постає питання – чому саме ВОЛЗ, які будуються на основі скла знайшли таке широке розповсюдження?

Дуже коротко на це питання можна відповісти так. Оптично прозоре середовище найбільш перспективне середовище для передання інформаційного сигналу. Створені та виготовляються ВОСП з швидкістю передачі до 40 Гбіт/с. Паралельно з створенням ВОЛЗ для цифрових систем передавання інформації будуються та прогресують системи для аналогового передавання сигналів. Наприклад, системи передавання аналогового телевізійного сигналу (насамперед системи кабельного телебачення).

Іншим напрямком впровадження оптичних технологій в технології телекомунікацій є впровадження в системи зв’язку досягнень оптичної обробки інформації, оптичної комутації.

Дедалі частіше для обробки інформаційних сигналів, зв’язку оптичних та електричних каналів передавання застосовують інтегрально-оптичні схеми. Це призводить до мініатюризації обладнання при зберіганні основних характеристик, притаманних оптичним пристроям. При цьому слід враховувати, що розповсюдження оптичних хвиль по оптичному волокну, плоскому хвилеводу, їх перетворення має хвилевідний характер. Відповідно фізика цих процесів суттєво відрізняється від фізики розповсюдження оптичного сигналу у вільному просторі. Це дає можливість розробки унікальних оптоелектронних пристроїв, які не мають аналогів у традиційній оптиці.

Саме тому в посібнику розглянуті теоретичні основи хвилевідної оптики, пасивні та активні елементи інтегральної оптики, інтегрально-оптичні схеми обробки інформації та інтегрально-оптичні датчики фізичних величин.

Основний принцип, якій покладений в основу даного посібника це спроба максимально доступно викласти фізичні та теоретичні основи хвилевідної оптики, які водночас є основами курсу ВОСП. При цьому при викладені матеріалу робилися спроби максимально уникнути перевантаження посібника математичними викладками. Так фізика хвилеводу розглянута лише для його плоскої реалізації, оскільки основні її закономірності зберігаються і для циліндричних волокон.

Щодо фізики активних елементів інтегральної оптики, то вона представлена теж дуже скорочено, враховуючи те, що деякі з них ретельно розглянуті в попередніх курсах. При цьому робиться акцент на практичні аспекти застосування таких елементів, регламентацію їх характеристик, що випливає з відповідних рекомендацій ITU-T.

Разом з тим додатково приділено уваги таким питанням, як загальні питання формування оптичного поля, просторова (оптична) реалізація перетворення Фур’є, кореляції, згортки, оскільки саме оптичні системи (в тому числі інтегрально-оптичні) дають можливість їх відносно простого виконання та побудови аналогових процесорів, в яких такі операції є базовими. Розглянуті також методи обробки сигналів, які в принципі можуть бути реалізовані в планарному варіанті.

Окремим розділом включені матеріали, присвячені оптичним неронним мережам, які в майбутньому стануть основою обчислювальних систем нового типу.

Частина І

Содержание