Лекция 1 (1087440)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

10

Лекция 1. Особенности радиотехнических систем оптического диапазона. Классификация радиооптических систем. Физические основы распространения излучения по оптическому волокну, характеристики оптических волокон и кабелей

Любую систему, действие которой основано на непосредственном использовании высокочастотных электромагнитных колебаний оптического диапазона для передачи, сбора, обработки и хранения информации, называют радиооптической системой.

Шкала э/м волн

радиодиапазон (от длин волн в 100 тыс. км до, примерно, 1 мм),

оптический инфракрасный диапазон (от 1 мм до 0,7 мкм),

дальняя ИК область от 1 мм до 25 мкм

средняя ИК область от 25 мкм до 2,5 мкм

ближняя ИК область от 2,5 до 0,76 мкм

оптический видимый диапазон от 0,76 до 0,4 мкм

оптический УФ диапазон от 0,4 мкм до 5 нм

В радиооптических системах используются электромагнитные колебания ИК и видимого диапазона.

Все радиооптические системы можно классифицировать на три типа: информационные, измерительные и следящие.

1. Информационные РОС. Предназначены для сбора, передачи, обработки, хранения и воспроизведения информации. К системам этого типа относятся: системы связи; передачи информации, лазерные локационные системы; системы распознавания объектов и образов и др.

2. Измерительные РОС. Предназначены для измерения характеристик и параметров, связанных с излучением отдельных объектов или процессов. К системам этого типа относятся измерители углов поворота; радиальной и угловой скорости (лазерные и волоконно-оптические гироскопы); приборы и системы для измерения температурных распределений по площади или объему объектов и др.

3. Следящие РОС. Предназначены для автоматического сопровождения объектов по излучению, идущему от них – отраженному или собственному. К системам этого типа относятся системы слежения за отдельными источниками излучения (звездами, планетами, самолетами); радионавигационные; тепловые и лазерные системы наведения.

В настоящем курсе будут рассматриваться оптические устройства для построения информационных систем двух видов:

системы оптической связи и передачи информации

системы оптической обработки информации

Системы связи и передачи информации могут использовать в качестве среды передачи атмосферу – это системы с открытым каналом, и волоконные световоды – это системы с закрытым каналом.

Рассмотрим обобщенную структурную схему типовой однонаправленной (симплексной) оптической системы с передачей по открытому каналу.

Рассмотрим структурную схему простой волоконно-оптической системы передачи информации.

Преимущества оптических систем передачи информации

1. Высокая скорость передачи

Исследователи Alcatel-Lucent из США и Франции успешно передали данные по одному оптическому волокну с рекордной скоростью – 25,6 терабит/с. При этом данные передавались одновременно по 160 каналам WDM на трех сетевых переходах протяженностью в 80 км каждый. Достигнутая скорость позволяет за одну секунду передать данные с 600 дисков DVD. Ранее компания впервые в мире продемонстрировала терабитные скорости, первой преодолела барьер 10 Тбит/с на одном волокне, показала рекордную емкость трансокеанского канала (6 Тбит/с), передала данные со скоростью 100 Гбит/с на расстояние более 2.000 км,

2. Высокая информационная емкость системы передачи

Известно, что увеличение частоты несущей теоретически увеличивает доступную для передачи полосу частот и, следовательно, увеличивает информационную емкость системы. Частоты оптического излучения занимают диапазон 10¹³…10¹⁵ Гц (30…0,3 мкм) и обеспечивают полосу пропускания (1% от несущей частоты) 10¹¹…10¹³. Это означает, что в оптическом диапазоне доступная для передачи полоса частот в 10⁵ раз больше, чем в радиодиапазоне. Так при использовании Не-Ne лазера с длиной волны 0,63 мкм (f=4,7∙10¹⁴ Гц) полоса пропускания составляет 4700 ГГц. В ней можно разместить около миллиона телевизионных каналов (1 канал занимает 5,5 МГц).

3. Энергетический выигрыш

За счет высокой направленности излучения, во много раз снижается требуемая мощность передатчика по сравнению с мощностью передатчика СВЧ-диапазона.

Преимущество волоконных линий связи

1. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.

2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

3. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Физические явления, положенные в основу работы волоконного световода.

Для описания явлений распространения оптического излучения в направляющих структурах используют представления как волновой оптики, так и геометрической оптики.

Волновая оптика базируется на уравнениях классической электродинамики, основу которой составляют уравнения Максвелла. В соответствии с теорией Максвелла свет является электромагнитной волной, которая представляет собой синусоидальное изменение электрического и магнитного полей во времени и пространстве:

; (1.1)

где E_o, H_o – амплитуда волны; ω=2πf – круговая частота; φ – начальная фаза волны; k=2π/λ – волновое число.

Электромагнитные волны распространяются в вакууме с постоянной скоростью с ≈ 3∙10⁸ м/с.

Скорость электромагнитных волн в среде с показателем преломления n равна v=c/n.

Электрические и магнитные свойства среды связаны с оптическими свойствами среды фундаментальным соотношением Электромагнитные волны поперечны, поскольку векторы Е и Н лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. При этом они изменяются во времени и пространстве синфазно, а их модули связаны соотношением

Геометрическая оптика не затрагивает вопроса о природе света и базируется на четырех экспериментально установленных законах – отражения, преломления, прямолинейного распространения световых лучей и независимости распространения световых лучей.

Факт распространения оптического излучения в световоде основан на явлении полного внутреннего отражения.

Закон преломления (Закон Снеллиуса)

Полное внутреннее отражение. При переходе луча из более плотной среды в менее плотную преломленный луч отклоняется от нормали, поэтому при увеличении угла падения наступит момент, когда преломленный луч будет скользить по поверхности границы раздела.

Таким образом, канал распространения света в оптически прозрачной среде будет возможен, если создать двухслойную оптическую структуру, например в виде волоконного световода

Планарные и волоконные оптические волноводы.

Оптическим волноводом называется направляющая структура, обеспечивающая распространение оптического излучения вдоль нее.

Планарные оптические волноводы

Простейшим оптическим волноводом является планарный волновод. Он представляет собой диэлектрическую структуру (рис.1), состоящую из тонкого прозрачного световедущего слоя с показателем преломления n₁ и прозрачной подложки с показателем преломления n₂, причем n₁>n₂. Выше световедущего слоя может находиться свободная среда, например воздух
с n_в = 1, что соответствует несимметричному волноводу, или аналогичная подложке среда с n₂. В этом случае образуется симметричный планарный волновод.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций