Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии (1089174), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Оптическая технология всегда славилась своими потенциальными возможностями, но основные продвижения происходят толькотогда, когда дешевые базовые устройства — полупроводниковые светодиоды, лазеры и оптоволоконныекабели — запускаются в массовое производство.Сегодня мы являемся свидетелями процесса перехода от наземных медных средств передачи информации к оптоволоконным.Типы оптоволоконных кабелейСуществует несколько типов оптоволоконных кабелей.
Их классификация основана на характерепрохождения световых волн по стекловолокну.Как уже упоминалось во вступлении, основная идея состоит в использовании эффекта полного отражения,который является следствием различия показателей преломления (п2>п,, где п2 — показатель преломлениявнутреннего стекловолокна (сердцевины), а п1 — показатель преломления внешней оболочки).Типичный пример — это оптоволоконный кабель со ступенчатым профилем (показателя преломления).Кабель со ступенчатым профилем, а также схема распространения света по такому кабелю, представлены на рис.
10.38. Обратите внимание на деформацию входного импульса, которая вызвана различнойдлиной траекторий световых лучей, отражающихся от цилиндрической поверхности, разделяющей двастекловолокна с различными показателями преломления. Это называется модовой дисторсией.Чтобы уравновесить пробегаемые лучами длины путей и улучшить характеристики импульса, было разработано многомодовое стекловолокно. В многомодовом стекловолокне лучи света распространяютсяс примерно равной скоростью, порождая эффект оптических стоячих волн.Еще лучшие характеристики имеет одномодовое стекловолокно, почти не дающее модальной дисторсии.«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV10. Средства передачи видеосигнала321Рис.
10.38. Три типа оптоволоконного кабеляПоследний вариант — самый дорогой, но он позволяет намного увеличить протяженность линии прииспользовании той же электроники. Для задач видеонаблюдения тип используемого стекловолокна— многомодовый или со ступенчатым профилем — не имеет особого значения.На рис. 10.38 приведены профили показателей преломления для этих трех типов стекловолокна.Числовая апертураСвет может попадать в оптоволоконный кабель под разными углами.Зная разные показатели преломления воздуха и стекловолокна, применим теорию преломления и законСнелиуса:(52)где nj — показатель преломления стекловолокна, n0 — показатель преломления воздуха, равный примерно 1.(53)http://www.
itv.ruITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV. Библиявидеонаблюдения»10. Средства передачи видеосигнала322CCTVРис. 10.40. Определение числовой апертурыЛевая половина выражения описывает очень важное свойство стекловолокна, которое называетсячисловой апертурой.Числовая апертура характеризует светособирающую способность оптоволоконного кабеля.На практике числовая апертура позволяет понять, как соединить два оптоволоконных кабеля и при этомсохранить сигнальный контакт. Реальные значения типичного апертурного угла для кабеля соступенчатым профилем показаны на рис. 10.40.Чтобы рассчитать числовую апертуру NA (угол фо), необязательно знать угол ф1 Далее приведены основные тригонометрические преобразования,позволяющие выразить числовую апертуру только через показатели преломления стекловолокна.Применяя закон Снелиуса и опираясь на рисунок, получаем:(54)Для полного отражения мы имеемтогда выражение принимает вид:(55)Так как, то мы можем написать:(56)(57)и используя уравнение (50), мы можем преобразовать (47) в более приемлемый вид, без синусов икосинусов:(58)Зная основное правило тригонометрии«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV10.
Средства передачи видеосигнала323(59) (60)Формула (54) это хорошо известная формула для вычислениячисловой апертуры оптоволоконного кабеля по двум известнымпоказателям преломления — внутренней нити и оболочки. SQRT — это корень квадратный.Очевидно, чем выше это значение, тем больше светособирающий угол кабеля.Приведем реалистичный пример:Для волокна с плавным профилем апертура является переменной и зависит от радиуса измеряемогопрофиля, но она ниже, чем у многомодового волокна со ступенчатым профилем. Для одномодовоговолокна 9/125 мкм числовая апертура NA=0.1.Уровни света в волоконной оптикеВыходная мощность света измеряется в ваттах (как и любая другая мощность), но поскольку воптоволоконной связи используются очень слабые источники света, то удобнее сравнивать выходнуюмощность с входной, а в этом случае мы получаем хорошо известное соотношение для децибел:[ДБ](61)Однако, если сравнивать конкретную мощность света с абсолютным значением, например 1 мВт, то мыбудем говорить о дБм, то есть:[дБм](62)Рассчитывать уровни передачи легче в децибелах.Отрицательное значение в децибелах при расчете А означает потери, а положительное значение— среднее усиление.Если Аа равно отрицательному значению дБм, то мощность меньше 1 мВт, а положительноезначение соответствует мощности, большей 1 мВт.Определение децибел при сравнении мощностей задается уравнением (55), но, как указывалось ранее,для напряжения и тока определение выглядит иначе:[ДБ](63)Не углубляясь в теорию, отметим, что децибелы для мощности вычисляются с коэффициентом 10 передлогарифмом, а для напряжения (и тока) — с коэффициентом 20.Потери света при прохождении по волоконному кабелю объясняются следующими факторами:ООООСтыковкой с источникомСращиванием световодовЗатуханием в стекловолокне из-за его неоднородностиВысокими температурами и т.д.Проектируя систему видеонаблюдения с оптоволоконным кабелем, важно знать общее затухание, таккак мы работаем с очень слабыми сигналами.
Лучше работать с наихудшими оценками, чем использовать средние значения — только тогда возможно спроектировать надежную и качественную систему.Для этого следует помнить, что в большинстве случаев выходная мощность излучения 850-нм светодиода лежит между 1 дБм и 3 дБм, а 1300-нм светодиод имеет несколько меньшую мощность — от 0 дБм до2 дБм (помните, что мощность выражена относительно 1 мВт).http://www.itv.ruвидеонаблюдения»ITV— генеральный спонсор 2-го издания книги «CCTV.
Библия32410. Средства передачи видеосигналаCCTVНаибольшие потери возникают при соединении светодиода и волокна.Потери также зависят от числовой апертуры и от профиля волокна, который может быть ступенчатым илиплавным.Реалистичное значение потерь, вызванных соединением с источником, составляет около 14 дБ (относительно выходной мощности источника).Источники света в оптоволоконной связиДва основных компонента-источника света для оптоволоконного кабеля:О Светодиоды (LED)О Лазерные диоды (LD).диодРис.10.40.ЛазерныйОба источника дают частоты в инфракрасном диапазоне, то есть выше 700 нм.Генерация света как в светодиодах, так и в лазерных диодах происходит в процессе рекомбинации электронов и дырок в P-N переходе при подведении прямого (однонаправленного) тока.
Такой свет называется электролюминесцентным.После рекомбинации пары электрон/дырка имеют меньшую энергию, чем каждая составляющая до рекомбинации. При рекомбинации пары электрон/дырка теряют энергию, равную разности энергетических уровней, которая излучается в виде фотонов (минимальная единица переноса света).Длина волны, ассоциированная с фотоном, определяется уравнением:А = hc/E(64)где:h — постоянная Планка, фундаментальная физическая постоянная, равная 6.63 -1034 джоулей,с — скорость света (300 -106 м/с),Е— ширина энергетической зоны P-N материала.Так как h и с постоянны, то длина волны зависит только от энергетической зоны, то есть от используемого материала. Это очень важный вывод.Для чистого арсенида галлия (GaAs) А равно 900 нм.
Добавляя небольшое количество алюминия, можноуменьшить длину волны до 780 нм. Чтобы получить еще более короткие длины волн, используетсяфосфид галлия арсенида (GaAsP) или фосфид галлия (GaP).Основные различия между светодиодом и лазерным диодом — это различия между спектрамигенерируемого излучения и углами направленности.Светодиод генерирует излучение с длинами волн, лежащими в окрестности некоторого центральногозначения, как показано на рис. 10.41. Лазерный диод дает очень узкую полосу частот, почти одной длины волны.P-N переход в светодиоде порождает излучение с более широким спектром, чем у лазерного диода, причем это излучение распространяется во всех направлениях, то есть светодиод не дает узконаправленного излучения.
Дисперсия в сильной степени зависит от механического строения диода, его поглощенияи отражения. Свет, однако, излучается во всех направлениях, и чтобы сузить пучок света, производителисветодиодов помещают сверху что-то вроде фокусирующих линз. И все равно угол получается слишкомбольшим и не годится для одномодового волокна. По этой причине светодиоды не используются в качестве передающих устройств с одномодовым оптоволоконным кабелем.Лазерные диоды изготавливаются из того же материала, что и светодиоды, процесс генерации светатоже аналогичен, но зона перехода гораздо меньше, а концентрация дырок и электронов выше. Индуци«CCTVФокус» — журнал по системам видеонаблюдения и охранному телевидениюhttp://www.cctvfocus.ruCCTV10. Средства передачи видеосигнала325Рис.
10.41. Спектр излучения светодиода (LED) и лазерного диода (LD)рованныи свет может излучаться только с очень маленькой поверхности. При определенных уровнях токапроцесс генерации фотонов попадает в резонанс и число индуцированных фотонов резко увеличивается, давая больше фотонов с одинаковой длиной волны и фазой. Таким образом, оптическое усилениедостигается организованным образом, и генерированный свет представляет собой когерентное (по фазе) индуцированное излучение. СловоLASER образовано из первых букв light amplification bystimulated emission of radiation, что означает:«усиление света при помощи индуцированногоизлучения».Чтобы «запустить» индуцированное излучение, длялазерного диода требуется минимальный ток от 5 до100 мА — это так называемый пороговый ток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
