Оптикалық талшықпен сауле энергиясын тасымалдаудың спектралдық өтімділігі
Кіріспе 4
1. Оптикалық талшықпен сәуле энергиясын тасымалдау 6
1.1 Жүйелерді талда 6
1.2.Фотогальваникалық батареяларды зерттеу 21
1.3. Оптикалық талшық арқылы энергияны жібеудің спектралды тиімділігі 22
1.4.Оптикалық талшықтар және оның түрлері және талшықты.оптикалық байланыс желілері түсініктері 23
1.5. Оптоталшықты кабелдер классификациясы 25
1.6. Талшықты.оптикалық байланыс жүйелерінің кемшіліктері 26
1.7. Талшықты оптика үшін таратқыштар және қабылдағыштар 27
1.8. ТОБЖ қолданыс аясы 28
1.9. Оптоталшықты ТВ бақылау жүйесі 29
1.10. Бейнесигналдарды мультиплексірлеу 30
1.11. Кабельді желінің инфрақұрылымы 31
1.12. Шалаөткізгішті лазерлер 32
1.13. Шалаөткізгішті светодиодтар 33
1.14. Фотоқабылдағыштар 34
1.15. Лазерлер 36
1.16. Талшықты лазерлердің ерекшеліктері 38
1.17. Шалаөткізгішті фотоэлементтер 45
2. Жүйені тестілеу және оны пайдалануға енгізу 48
2.1. Оптикалық арна бойымен энергия тасымалда 49
2.2. Оптикалық талшық арқылы энергия жіберудің спектральді тиімділігі 54
2.3. Қорытынды 57
2.4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі 58
1. Оптикалық талшықпен сәуле энергиясын тасымалдау 6
1.1 Жүйелерді талда 6
1.2.Фотогальваникалық батареяларды зерттеу 21
1.3. Оптикалық талшық арқылы энергияны жібеудің спектралды тиімділігі 22
1.4.Оптикалық талшықтар және оның түрлері және талшықты.оптикалық байланыс желілері түсініктері 23
1.5. Оптоталшықты кабелдер классификациясы 25
1.6. Талшықты.оптикалық байланыс жүйелерінің кемшіліктері 26
1.7. Талшықты оптика үшін таратқыштар және қабылдағыштар 27
1.8. ТОБЖ қолданыс аясы 28
1.9. Оптоталшықты ТВ бақылау жүйесі 29
1.10. Бейнесигналдарды мультиплексірлеу 30
1.11. Кабельді желінің инфрақұрылымы 31
1.12. Шалаөткізгішті лазерлер 32
1.13. Шалаөткізгішті светодиодтар 33
1.14. Фотоқабылдағыштар 34
1.15. Лазерлер 36
1.16. Талшықты лазерлердің ерекшеліктері 38
1.17. Шалаөткізгішті фотоэлементтер 45
2. Жүйені тестілеу және оны пайдалануға енгізу 48
2.1. Оптикалық арна бойымен энергия тасымалда 49
2.2. Оптикалық талшық арқылы энергия жіберудің спектральді тиімділігі 54
2.3. Қорытынды 57
2.4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі 58
Оптоталшықты ақпаратты қабылдап/тарату үшін әртүрлі құрылғылар мен алыстан қабылдап/таратушы модулдер электрқорегін қамтамасыз ету үшін мыс кабельдерді тартуды талап етеді. Мұндай жүйелердің параметрлерін зерттеу барысында бұл технология металды кабелдермен электрқорегін таратудан қымбат болып саналды, бірақ кейбір салаларда оның қолданылуы мүмкін.
Мысалы: жоғары деңгейде электромагнитті кедергілері бар жүйелерде (әртүрлі электромагнитті сәулеленуді өлшегіштер мен электртаратқыш сызықтарын бақылағыштар); агрессивті және жарылу қаупі бар орталарда (жанармайлы есептегіш жүйелерде, жерасты зерттеулер, картографиялау және сейсмикалық белсенділікті бақылауда) өрт және байланыстың ұшқындауынан жарылу қауіпсіздігін қамтамасыз ету мен металды өткізгіштерді ортаның компоненттерімен өзара байланыстырудан қорғау міндетті болатын жүйелерде; адам ағзасын зондпен тексеру жұмыстарында қолданылатын, электрқорегін оптоталшық арқылы тарататын медициналық диагносткалық құрылғыларда қолданылады; жаппайгабаритті сипаттамаларының айтарлықтай жақсаруына алып келетін, борттық аспапта бөлінген құрылғыларды электрқорекпен қамтамасыз ету үшін; технологиялық тұрғыда қосымша қорек кабелін тартуға болмайтын немесе оны тарту үлкен материалдық шығынмен байланысты әртүрлі жүйелерде (шахтадағы құрылғылар, бейнекамера бақылауларында).
Жоғарыда айтылған салаларда оптоталшықты электрқорегін таратудағы ерекшеліктері болып: электромагнитті кедергілерге қарсы тұру, агрессивті қоршаған ортаға жоғары тұрақтылық (оптоталшықты өндіретін төменгі 282 кремний оксидінің SiO2 химиялық белсенділігі), жарылу қаупі бар орталарда және жоғары температура мен қысымдарды жұмыс істеу мүмкіндігі, электрлік оқшаулауды толық талап ету, салмақты габаритті көрсеткіштерінің аздығы.
Жұмыстың мақсаты: Оптикалық талшықпен сауле энергиясын тасымалдау, спектралдық өтімділігін есептеу.
Мысалы: жоғары деңгейде электромагнитті кедергілері бар жүйелерде (әртүрлі электромагнитті сәулеленуді өлшегіштер мен электртаратқыш сызықтарын бақылағыштар); агрессивті және жарылу қаупі бар орталарда (жанармайлы есептегіш жүйелерде, жерасты зерттеулер, картографиялау және сейсмикалық белсенділікті бақылауда) өрт және байланыстың ұшқындауынан жарылу қауіпсіздігін қамтамасыз ету мен металды өткізгіштерді ортаның компоненттерімен өзара байланыстырудан қорғау міндетті болатын жүйелерде; адам ағзасын зондпен тексеру жұмыстарында қолданылатын, электрқорегін оптоталшық арқылы тарататын медициналық диагносткалық құрылғыларда қолданылады; жаппайгабаритті сипаттамаларының айтарлықтай жақсаруына алып келетін, борттық аспапта бөлінген құрылғыларды электрқорекпен қамтамасыз ету үшін; технологиялық тұрғыда қосымша қорек кабелін тартуға болмайтын немесе оны тарту үлкен материалдық шығынмен байланысты әртүрлі жүйелерде (шахтадағы құрылғылар, бейнекамера бақылауларында).
Жоғарыда айтылған салаларда оптоталшықты электрқорегін таратудағы ерекшеліктері болып: электромагнитті кедергілерге қарсы тұру, агрессивті қоршаған ортаға жоғары тұрақтылық (оптоталшықты өндіретін төменгі 282 кремний оксидінің SiO2 химиялық белсенділігі), жарылу қаупі бар орталарда және жоғары температура мен қысымдарды жұмыс істеу мүмкіндігі, электрлік оқшаулауды толық талап ету, салмақты габаритті көрсеткіштерінің аздығы.
Жұмыстың мақсаты: Оптикалық талшықпен сауле энергиясын тасымалдау, спектралдық өтімділігін есептеу.
1 Гук М. Аппаратные средства локальных сетей/М. Гук - СПб: Издательство “Питер”,2000.-572с.
2 Родина О.В. Волоконно-оптические линии связи/О.В. Родина - М.: Горячая линия, 2009.-400c.
3 Арагвал, Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. - М. : Мир, 1996. - 323 с.
4 Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи: 3-е издание, дополненное. М. :Техносфера, 2006. 496 с.
5 A.C. Van Rijn, C.A. Grimbergen M. F. Hajer// 21-st Annual Conf. Engineering in Medicine and Biology and Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Soc. BMES/EMBS Conference. October, 1999. Vol. 2. P. 845.
6 A stable 2 W supply optical-powering system / T. Yasui, J. Ohwaki, M. Mino, T. Sakai // Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE. 2000. P. 1614-1617.
7 New imitated equipment with optical powering system for evaluating anechoic chamber characteristics/ T. Nango, T. Kawashina, J. Ohwaki, M. Tokuda // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC). 2001. Vol. 1. P. 274-279.
8 Werthen, J. G. Powering Next Generation Networks by Laser Light over Fiber, Optical Fiber communication // National Fiber Optic Engineers Conference. OFC/NFOEC2008. Conference on 24-28 February, 2008. P. 1-3.
9 http://geektimes.ru/post/165199/
2 Родина О.В. Волоконно-оптические линии связи/О.В. Родина - М.: Горячая линия, 2009.-400c.
3 Арагвал, Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. - М. : Мир, 1996. - 323 с.
4 Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи: 3-е издание, дополненное. М. :Техносфера, 2006. 496 с.
5 A.C. Van Rijn, C.A. Grimbergen M. F. Hajer// 21-st Annual Conf. Engineering in Medicine and Biology and Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Soc. BMES/EMBS Conference. October, 1999. Vol. 2. P. 845.
6 A stable 2 W supply optical-powering system / T. Yasui, J. Ohwaki, M. Mino, T. Sakai // Photovoltaic Specialists Conference, 2000. Conference Record of the Twenty-Eighth IEEE. 2000. P. 1614-1617.
7 New imitated equipment with optical powering system for evaluating anechoic chamber characteristics/ T. Nango, T. Kawashina, J. Ohwaki, M. Tokuda // IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC). 2001. Vol. 1. P. 274-279.
8 Werthen, J. G. Powering Next Generation Networks by Laser Light over Fiber, Optical Fiber communication // National Fiber Optic Engineers Conference. OFC/NFOEC2008. Conference on 24-28 February, 2008. P. 1-3.
9 http://geektimes.ru/post/165199/
Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 54 бет
Таңдаулыға:
Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 54 бет
Таңдаулыға:
Қaзaқстaн Рeспубликaсының Бiлiм жәнe ғылым министрлiгi
Әл - Фaрaби aтындaғы Қaзaқ ұлттық унивeрситeтi
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қoрғaуғa жiбeрiлдi
______________2015ж
Кaфeдрa мeңгeрушiсi,
ф.-м.ғ.д., профессор Приходько О.Ю.
ДИПЛOМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: ОПТИКАЛЫҚ ТАЛШЫҚПЕН САУЛЕ ЭНЕРГИЯСЫН ТАСЫМАЛДАУДЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ ӨТІМДІЛІГІ
5B071900 - Радиотехника, электроника және телекомуникациялар мaмaндығы бoйыншa
Oрындaғaн
Әлі.А.Б
Ғылыми жeтeкшi
ф.-м.ғ.к., аға оқытушы
Сванбаев Е.А.
Нoрмa бaқылaушы
Төлегенова А.
Aлмaты, 2015
Қaзaқстaн Рeспубликaсының Бiлiм жәнe ғылым министрлiгi
Әл - Фaрaби aтындaғы Қaзaқ ұлттық унивeрситeтi
Әлі.А.Б
ОПТИКАЛЫҚ ТАЛШЫҚПЕН СӘУЛЕ ЭНЕРГИЯСЫН ТАСЫМАЛДАУДЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ ӨТІМДІЛІГІ
ДИПЛOМДЫҚ ЖҰМЫС
5B071900 - Радиотехника, электроника және телекомуникациялар
мамандығы
Aлмaты 2015
РЕФЕРАТ
Диплoм жұмысы 58 бeттeн, 32 сурeттeн, 4 кeстeдeн, 9 әдeбиeт көздeрiнeн тұрaды.
Негізгі ұғымдар:
Оптикалық талшықпен сәуле энергиясын тасымалдаудың спектралдық өтімділігін анықтау.Сонымен қатар талшықты оптикалық жүйелердегі негізгі ұғымдарды түсініп,тақырыпты сол анықтамалар арқылы ашу.
РEФEРAТ
Диплoмнaя рaбoтa излoжeнa нa 58 стрaницaх и сoстoит из 32 рисункoв,4 тaблиц и сoдeржит 9 списoк испoльзуeмoй литeрaтуры.
Основные термины:
Целью дипломной работы является определить спектральную эффективность передачи энергии по оптоволокну. А так же понять основные термины волоконно-оптических систем используя этих терминов раскрыть тему работы.
ABSTRACT
The diploma project is presented on 58 pages and consists of 32 figures, 4 tables and contains 9 list of literature.
Basik terms:
The aim of the thesis is to determine the spectral efficiency of power transmission over fiber. And also understand the basic terms of fiber-optic systems using these terms to develop a theme of work.
МАЗМҰНЫ
Кіріспе 4
1. Оптикалық талшықпен сәуле энергиясын тасымалдау 6
1.1 Жүйелерді талда 6
1.2.Фотогальваникалық батареяларды зерттеу 21
1.3. Оптикалық талшық арқылы энергияны жібеудің спектралды тиімділігі 22
1.4.Оптикалық талшықтар және оның түрлері және талшықты-оптикалық байланыс желілері түсініктері 23
1.5. Оптоталшықты кабелдер классификациясы 25
1.6. Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің кемшіліктері 26
1.7. Талшықты оптика үшін таратқыштар және қабылдағыштар 27
1.8. ТОБЖ қолданыс аясы 28
1.9. Оптоталшықты ТВ бақылау жүйесі 29
1.10. Бейнесигналдарды мультиплексірлеу 30
1.11. Кабельді желінің инфрақұрылымы 31
1.12. Шалаөткізгішті лазерлер 32
1.13. Шалаөткізгішті светодиодтар 33
1.14. Фотоқабылдағыштар 34
1.15. Лазерлер 36
1.16. Талшықты лазерлердің ерекшеліктері 38
1.17. Шалаөткізгішті фотоэлементтер 45
2. Жүйені тестілеу және оны пайдалануға енгізу 48
2.1. Оптикалық арна бойымен энергия тасымалда 49
2.2. Оптикалық талшық арқылы энергия жіберудің спектральді тиімділігі 54
2.3. Қорытынды 57
2.4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі 58
Кіріспе
Оптоталшықты ақпаратты қабылдаптарату үшін әртүрлі құрылғылар мен алыстан қабылдаптаратушы модулдер электрқорегін қамтамасыз ету үшін мыс кабельдерді тартуды талап етеді. Мұндай жүйелердің параметрлерін зерттеу барысында бұл технология металды кабелдермен электрқорегін таратудан қымбат болып саналды, бірақ кейбір салаларда оның қолданылуы мүмкін.
Мысалы: жоғары деңгейде электромагнитті кедергілері бар жүйелерде (әртүрлі электромагнитті сәулеленуді өлшегіштер мен электртаратқыш сызықтарын бақылағыштар); агрессивті және жарылу қаупі бар орталарда (жанармайлы есептегіш жүйелерде, жерасты зерттеулер, картографиялау және сейсмикалық белсенділікті бақылауда) өрт және байланыстың ұшқындауынан жарылу қауіпсіздігін қамтамасыз ету мен металды өткізгіштерді ортаның компоненттерімен өзара байланыстырудан қорғау міндетті болатын жүйелерде; адам ағзасын зондпен тексеру жұмыстарында қолданылатын, электрқорегін оптоталшық арқылы тарататын медициналық диагносткалық құрылғыларда қолданылады; жаппайгабаритті сипаттамаларының айтарлықтай жақсаруына алып келетін, борттық аспапта бөлінген құрылғыларды электрқорекпен қамтамасыз ету үшін; технологиялық тұрғыда қосымша қорек кабелін тартуға болмайтын немесе оны тарту үлкен материалдық шығынмен байланысты әртүрлі жүйелерде (шахтадағы құрылғылар, бейнекамера бақылауларында).
Жоғарыда айтылған салаларда оптоталшықты электрқорегін таратудағы ерекшеліктері болып: электромагнитті кедергілерге қарсы тұру, агрессивті қоршаған ортаға жоғары тұрақтылық (оптоталшықты өндіретін төменгі 282 кремний оксидінің SiO2 химиялық белсенділігі), жарылу қаупі бар орталарда және жоғары температура мен қысымдарды жұмыс істеу мүмкіндігі, электрлік оқшаулауды толық талап ету, салмақты габаритті көрсеткіштерінің аздығы.
Жұмыстың мақсаты: Оптикалық талшықпен сауле энергиясын тасымалдау, спектралдық өтімділігін есептеу.
1. ОПТИКАЛЫҚ ТАЛШЫҚПЕН САУЛЕ ЭНЕРГИЯСЫН ТАСЫМАЛДАУ
1.1 Жүйелерді талдау
Ең бірінші электрқорегін тарату технологиясын 1978 жылы Bell Telephone Laboratories (АҚШ) қызметкерлері дыбыстық сигнал беру қорегі үшін қолданды. 1999 жылы бірінші рет адамның биоэлектрлік шамасын өлшейтін медициналық диагностикалық құрылғы үшін электрқоректі оптоталшық арқылы тарату жүйесі құрылды (сур.1.1). 9% ретті тиімділігі бар 53 мВт электрлік қуат қамтамасыз етіледі.
Электрқорек және басқару үшін оптоталшық _Q_. Электрқоректің қор(резерв) жүйесі. Фотогальваникалық батарея. 1 қуат бақылаушы*. .І.Декодер. деректерді тарату үшін оптоталшық. Өлшегіш аспап.
Сурет 1.1. Диагностикада оптоталшық бойынша қорек тарату жүйесін қолдану
2000 жылы NTT Photonics Laboratories (Жапония) лабораториясында электрқорегін 2 Вт электрлік қуатты және 5 В кернеуді қамтамасыз ететін талшықты-оптикалық кабель арқылы электрқорегін тарату жүйесі құрастырылды. Электрлік энергияны оптикалыққа түрлендіретін оптикалық көзі ретінде толқын ұзындығы 808 нм генерациялы AlGaAsGaAs лазерлі диоды қолданылды, оптикалық сәулеленудің максималды қуаты 3 Вт және әсерлілігі 11 % болды. Электрқорегі тарату үшін өзегінің диаметрі 200 мкм және ұзындығы 200 м болатын көпмодалы оптоталшық қолданылды.
Оптикалық қуатты электрлікке түрлендіру үшін 283 ие, әсерлілігі 31% болатын алты GaAs-ден фотогальваникалық батарея p-i-n фотодиоды қолданылды. 2 Вт қуатты жіберу үшін әрқайсысына 400 мВт оптикалық қуат қажет ететін 5 фотогальваникалық батарея, соған сәйкес 5 оптикалық талшық қажет болды. Жалпы жүйенің жиынтық тиімділігі 3% құрайды.
Электрқоректі тарататын оптикалық талшық;
Фотогальваникалық батарея;
Ақпаратты тарататын оптикалық талшық;
Кодерлеуші тізбек 1 ^ а -- Т ::а * я п ::9-;
Фотогальваникалық модуль ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ J~ ~;
Бес фотогальваникалық модуль;
Оптикалық талшықтар ад к ф д н ь п :: V W -- 5 V;
Сурет 1.2. NTT Photonics Laboratories (Жапония) өндірісінің шалғайдағы қорек модулі үшін электрқорегін оптоталшық арқылы тарату жүйесі
2001 жылы берілген электрқоректі оптоталшық арқылы тарату жүйесі сәулеленуші элементті электрлік энергиямен қамтамасыз ету үшін жаңғырықсыз камераның сипаттамаларын өлшеу жүйесінде қолданылды, сонымен бірге қосымша оптоталшық өлшегіш АЖЖ(аса жоғары жиілікті) сигналды тарату үшін қолданылды . Оптоталшық арқылы элекқоректі тарату технологиясын қолдану металды кабелдер қорегінің өлшеу нәтижелері енгізген қатты бұрмалану мәселелерінің шешілуіне көмегін тигізді. Қазіргі уақытта оптоталшық арқылы электрқоректерін тарату жүйесі бойынша екі коммерциялық ұсыныс бар. RLH Industries (АҚШ) фирмасы электрқоректі екі көпмодалы диаметрі 62,5 мкм талшықты-оптикалық кабел арқылы тарату жүйесін, сонымен бірге жүйе 45 Вт электрлік қуатты тұтынады және шығыс электрлік қуат 600 мВт-қа дейін (2 талшық қолданылады) қамтамасыз етіледі деген ұсыныс тастап отыр. Жүйенің тиіміділігі 2% құрап отыр. Оптоталшық арқылы электрқоректі тарату жүйесінің өнеркәсіптік өңдеу жұмыстары JDSU (АҚШ) [6] фирмасы оптикалық қуатты 500 м дейін тарату үшін 284 өзек диаметрі 62,5 немесе 100 мкм қолданады. Лазерлі диодтардың сызғыштары өлшемі 2х2 мм 50% тиімділікті 2 GaAs фотодиод негізіндегі фотогальваникалық батареяға түрленетін толқын ұзындығы 850 нм болатын қуаты 5 Вт болатын сәулелену құрайды. Электрқоректі 10 км қашықтықта тарату үшін бірмодалы талшық және InGaAsInP негізіндегі 2х2 мм өлшемді фотогальваникалық батарея, 25% тиімділігі бар фотодиод қолданылады. Оптоталшық арқылы электрөорегін тарату жүйесінің сыртқы көрінісі сурет 1.4 көрсетілген.
Жаңғырықсыз камера;
Сәулеленуші элемент;
Қабылдағыш антенна;
Коаксиалды кабель;
Оптоталшықтар;
Қуатты лазер;
Оптикалық модулятор;
Лазерлі диод;
Тізбектің векторлы анализатор;
Сурет 1.3. Сәулеленуші элементті 3 электрлік энергиямен қамтамасыз ету үшін жаңғырықсыз камераның сипаттамаларын өлшеу жүйесінің қорек жүйесі
Оптоталшықты байланыс аз шуыл мен жоғары қауіпсіздікке кепіл береді (іс жүзінде бұру жұмыстарын жасау мүмкін емес). Пластикті талшықтар 100 метрден аспайтын байланыс ұзындықтарында және шектеулі жылдам қозғалыста (500 МГц кем емес) қолданылады. Соңғы уақыттарда (2006-7г)30 метрлі ұыздықта 40 Гбитс жылдамдықта және 220 метрлі (Lightware N4 2007) 5,35 Гбитс жылдамдықта тарататын пластикалық талшықтар өңделді. Оптикалық талшық арқылы таратудың ықтималды қателігі 10-10, ол көп жағдайда ақпараттың тұтастығын бақылауды керек етпейді.
Желілерді құру кезінде көпөзекті кабелдер қолданылады (кабельдің басқа да түрлері бар: мысалы, екі немесе төрт өзекті, және тағы жазықты). Суреттің [А] жоғары бөлігінде жеке оптоталшық бейнеленге, ал төменгі [Б] сезізөзекті оптикалық кабелдің қимасы бейнеленген. Оптоталшыққа (диаметрі d 100m ) жарық (толқын ұзындығы l ~ 1350 немесе 1500 нм) жарық сәулеленуші диод немесе жартылайөткізгішті лазер арқылы енеді. Орталық талшық сыну коэффициенті орталық ядродан (нұсқаумен талшықтағы жарық сәулелерінің жүрісі көрсетілген) төмен қабатпен (клэдинг, 1А) жабылады. Сыртының механикалық беріктілігін қамтамасыз ету үшін (2А) полимерлік қабатпен жабылады. Кабель көптеген талшықтарды қамтамасыз етуі мүмкін, мысалы 8 (1Б). Кабелдің ортасында кабелді тартуға қолданылатын (3Б) темир арқан орналасады. Сыртқы жағынан кабель темир қамшымен(2Б) қорғалады (егеуқұйрықтардан) және иілгіш полимерлі жабумен герметизацияланады(тұмшалау).
Сурет 1.4 Опталшықты кабелдің қимасы
Әртүрлі қасиеттерге ие оптикалық талшықтардың бірнеше түрлері бар. Олар бір бірінен сыну коэффициентінің орталық талшықтың радиустан тәуелділігінен ерекшеленеді 1.5суретте талшықтың үш түрі көрсетілген (А, Б және В). А және Б әріптерімен талшықтың мультимодалы түрі белгіленген. Б түрі уақыттың аз таралу дисперсиясына ие және сол себепті сигнал пішінінің аз бұрмалануын енгізеді. Жарықтық импульстарға белгілі бір пішін берсек (кері гиперболалық косинус), онда дисперсионды әсерлерді толықтай алып тастауға болады. Сонымен импульстерді мыңдаған километрлерге олардық пішінін бұрмаламай жібере алатын мүмкіндік пайда болады. Ондай импульстар солитондар деп аталады. Қазіргі заманғы технологияларда әрбір 30 километрден соң (мыс сымдар үшін 5 км қарсы) қайталағыштар қолдану керек. Мыс сымдармен салыстырғанда оптоталшықты кабелдер өте жеңіл. 1 км ұзындықта 1000 рет бұралған жұп 8 тонна болады, ал сол ұзындықтағы үлкен өткізгіштік қасиеті бар екі талшық 100 кг құрайды. Бұл жағдай оптикалық кабелдерді жоғары вольтті байланыс сызықтарында, олардың өткізгіштерінің айналасына орап және іліп тастауға мүмкіндік ашады.
Сурет 1.5.Сыну коэффициентінің радиустан тәуелділігімен ерекшеленетін оптикалық талшықтардың түрлері
В әрпімен талшықтың бірмодалы түрі белгіленген (мода түсінігі электромагнитті толқындардың таралу сипатымен байланысты). Мода Максвелл теңдеулерінің мүмкін болатын шешімдерін көрсетеді. Жеңілдетілген түрде мода - бұл талшық бойынша жарықтық тарала алатын траекторияларының бірі.
Мода саны көп болған сайын, сигнал пішінінің дисперсионды бұрмалалнуы да көп болады. Бірмодалы талшық 50-100 ГГц-км диапазонда өткізу жолағына ие болуы мүмкін. Модалық дисперсияның үлгілік мәні 15 тен 30 нсеккм дейінгі аралықта жатады.
Бұл талшықтың әртүрлілігі жарықтың кіріс кезінде аз бөлігін қабылдайды, бірақ төменгі амплитуда шығыны мен сигналдың аз бұрмалануын қамтамасыз етеді. Тағы ескерте кететін жағдай, бірмодалы талшықта жұмыс істеуге арналған құрылғы айтарлықтай қымбат болады. Бірмодалы талшықтың орталық бөлігі 3-10 m диаметрге ие, ал бірмодалы талшықты клэдинг диаметрі 30-125 m құрайды. Талшықтардағы мода саны белгілі бір жағдайда олардың ақпараттық сыйымдылығын анықтайды. Модалық дисперсия импульстердің жайылуына және олардың бір бірінің болып таптап тастауына алып келеді. Поляризационды модалық дисперсияға айналмалы симметрияның бұзылуына, механикалық кернеу, майысу, басылып қалуына және талшықтың бұралуы әсер етеді. Бұл факторлардың барлығы 10 Гбитс немесе одан жоғары ретті таралу жылдамдығында өту кезінде іске асырылады. Дисперсия талшықтың орталық бөлігінің диаметріне және жарықтың толқын ұзындығына байланысты. А типті талшық үшін n мода саны мынаған тең:
A=n12-n22 (1.1)
мұндағы d - орталық бөліктің (ядроның) диаметрі, а - талшықтың сандық ауытқуы, 1 - толқын ұзындығы. Талшықтың орталық бөлігінің диаметрі 50 m 1000 модадан тұрады. Б типті талшық үшін (сур.3.2.2) n мәні екі есе төмен. А типінің сандық ауытқуы сыну коэффициенті мен клэдингке сәйкес n1(~1,48) және n2 (~1,46) тең. А көлемі талшықтың кіріс конусының q (кіріс сәулеленудің денелік бұрышының басып алуы) кеңдігін анықтайды q=arcsine (~3,370).
Толқын ұзындығы көп болған сайын, мода саны мен сигналдың бұрмалануы аз екені көрініп тұр. Ұзынтолқынды инфрақызыл диапазон жұмысының бір себебі болып табылады. Бірақ, сол бір моданың әртүрлі толқын ұзындықтары талшық бойында әртүрлі жылдамдықпен таралады. Талшық сынудың тегістелген пішінінің көрсеткіші 1 нсеккм және одан аз дисперсияға ие. Бұл, жеке жағдайда үлкен траектория ұзындығымен талшықтың шеткі аймақтарында жарық тез қозғалады (ол жақта сыну көрсеткіші аз). Біриодалы режим жарықтың толқын ұзындығы талшықтың ядросының диаметрімен бірдей болған жағдайда іске асырылады. Талшық бірмодалы болып саналатын толқын ұзындығы табалдырықты деп аталады. 50 микрон диаметрлі талшық 1000 модадан тұрады.
Көпмодалы талшықтан ерекше, бірмодалыларды - сәулелену тек ядроның ішінде ғана болмайды. Осы себепті клэдингтің оптикалық қасиеттеріне талаптар артуда. Көпмодалы талшық үшін клэдингтің ашықтығына деген талаптары бірқалыпты.
Сөну деп әдетте талшық бойында оның қозғалысынына байланысты сигналың әлсіреуін айтады. Ол дБкм өлшенеді және 300 дБкмден пластикалық талшықтар үшін 0,21 дБкмге дейін бірмодалы талшықтар үшін өзгереді. Талшықтың өткізу жолағы дисперсиямен анықталады. Бірмодалы талшықтың өткізу жолағын мына формулаға сәйкес бағалаймыз:
BW=0,187(Disp*SW*L) (1.2)
мұнда Disp - жұмыс толқын ұзындығында секнм және секкм кезіндегі дисперсиясы; SW - спектр көзінің нм кезіндегі кеңдігі; L - км кезіндегі толқын ұзындығы;
Егер жарық көзінің диаметрі талшықтың ядро диаметріне сәйкес келмесе, онда геометриялық келісілмей байланысқан жарық шығындары келесі формуламен сипатталуы мүмкін:
шығын және диам =10log10(талшық диаметрікөз диаметрі)2
Жарық көзінің диаметрінен талшық диаметрі көп болса, онда шығын болмайды. Егер көзінің сандық ауытқуы талшық ауытқуынан көп болса, онда жарық шығыны мынаған тең:
шығын және диам =10log10(АталшықАкөз)2
Дисперсиядан бөлек оптикалық арнаның тез қозғалысы шуылдармен шектеледі. Шуылдар екі құраушыдан тұрады: бытыра және жылулық шуыл. Бытыра шуыл мына арақатынаспен анықталады:
isn2=2eiB (1.3)
мұндағы е - электрон заряды, і - қабылдағыш арқылы ағатын орташа тоқ, және В - қабылдағыштың өткізу жолағының кеңдігі. Бытыра шуылдың мәндері 25 градус Цельсий температура кезінде 25 нА құрайды.
Жылулық шуыл мына арақатынаспен анықталады:
Isn2=(4kTB)RL (1.4)
мұнда k - Больцман түрақтысы, Т - Кельвин шкаласы бойынша температура, В - қабылдағыштың өткізу жолағының кеңдігі, RL - жүктеме кедергісі. 10 МГц жолақта және 2980 К температурада бұл шуыл құраушылар 18 нА тең болады. Жылулық шуылдың құраушыларының бірі болып, температурасы 1 градусқа көтерілгенде 10% өсетін қараңғы тоқ болып табылады.
Қабылдағыштың сезімталдығы фотондардың детектор санына келіп түсетін біріншілік электрон-кемтіктік жұптар санының арақатынасымен сипатталатын кванттық тиімділікпен беріледі. Бұл параметр пайызбен беріледі (әр кезде Алм). Сонымен, егер әрбір 100 фотонға электрон-кемтік жұбының 60-ы келсе, онда кванттық тиімділік 60% тең. Фотодетектордың R сезімталдығы кванттық сезімталдықтың негізінде есептелінуі мүмкін. R=(nel)hc, мұнда е - электрон заряды, h - Планк тұрақтысы, с - жарық жылдамдығы, l - толқын ұзындығы, ал n - кванттық сезімталдық.
Талшықта инжекторлеуші сәулелену көздері жиіліктің шеткі жолағыга ие болуы мүмкін. Сонымен жарық сәулелендіруші диодтар жолағы 35 нм кеңдікті жарықты сәулелендіреді, ал лазерлер 2-3 нм (лазерлер диодтарға қарағанда бағытталған тар диаграммаларға ие).
Фотодиодтың өсі уақыты жүйенің жылдам қозғалғыштығын шектейді. Қабылдағыштың шығысындағы шуыл деңгейі де аз әсер етпейді. Сонымен қатар, жарықтық импульс қатенің төмен деңгейін қамтамасыз ететіндей жеткілікті түрде энергия тасымалдауы керек (шуыл деңгейінің жоғары екені байқалады).
Талшықта жарықтың жұтылуы бірнеше себептермен болады. Жұтылу талшықтың шынысына жиілікпен түседі, сол кезде жиіліктің артуымен шынының кемшіліктерінің (релеевті шашырау) шашырауы себебінен шығын өседі. Ал талшықтың майысуы кезінже жұтылу өседі. Осы себепті майысудың кішкентай радиустарынан қашу керек (бұл үзілуге алып келуі мүмкін). Нәтижесінде талшықтағы жарық шығындары 0,8-1,8 mтолқын ұзындықтарында 2-5 дБкм диапазонда жатады.жарық жұтылуының толқын ұзындығынан тәуелділігі сурет 6-да көрсетілген. Қолданылған диапазондар суретте жасыл түспен белгіленген. Бұл диапазондар 25000-30000 ГГц кеңдікке ие. Қазіргі кезде толқын ұзындығының 6 диапазоны стандартталған. Олар кесте 1-де көрсетілген.
Кесте 1.
Диапазон атауы
Сипаттамалары
Толқын ұзындықтарының интервалдары
O
Бастапқы
1260-1360 нм
Е
Кеңейтілген
1260-1460 нм
S
Қысқатолқынды
1460-1530 нм
С
Стандартты
1460-1530 нм
L
Ұзынтолқынды
1565-1625 нм
U
Ультра ұзынтолқынды
1625-1675 нм
Жолды төсеу кезінде есептілік пен сақтық жасау керек. ИТЭФте бірнеше жыл бұрын екі ғимарат арасында 8-талшықты кабель тартылуы керек болған. Бір учаскеде дайын кабельдік арналар болмады, және біз оны тот баспайтын темірден жасалған сымға ауада іліп қойдық. Кабельді біз өңдедік, сигналдың сөнуі (децибел үлесі) ешкандай ескертусіз бір жарым жылдай жұмыс жасады. Сосын талшықтардың бірінде сигналдың жоғалғанын көрдік және сигналды басқа қорлардың біріне ауыстыруға мәжбүр болдық. Біраз уақыттан соң ол да жұмысын тоқтатты. Басында біз кабелдің нашар жасалғанын болжады, сосын ғимараттың бірінші қабатында нашар салынған кабелдерді көрдік (майысу радиусы жарты метрдей). Соңында рефлектометрлері бар басқа дамыған технологияларды басқаруда істейтін таныс мамандарды шақыртуға мәрбүр болдық. Олар кабелді өңдеген нүктемізден 66 метр жерден үзілген жері бар екенін көрсетті. Мұнда не болды?
Нақты нұсқаулар болса да, себебін табу оңай болмады. Үзілу 4 м жоғарыда болған және жерден көрінбейді. Сымнан 30-40 м жерде теректің діңгегі болды, ол қатты жел кезінде құлаған. Сым горизонтальды жазықтықта ауысты. Бір жағынан, сымнан төменге кеткен кабель болтты майыртырды. Құрастыру кезінде кабельдің бұл бөлігі темир тармаққа ауыстырылды, бірақ сымды қозғау процесі кезінде тармақ төменге құлады. Болт бұрандасы ара сияқты істеді, басында оқшаулағыш бұзылды, сосын темир ауытқу, ақыры талшықтар бірнен соң бірі үзіле бастады (4 және 8). Ендігі бұзылулар оптикалық кабельге темир сымды тоқтатып қойды. Әрбір бұзылған жұмысқа бір жылдан көп уақыт кетті, қатты жел күнде бола бермейді, бірақ темир сымдарды аралау оңай жұмыс болған жоқ. Үзілгендерді жөндеген және талшықтарды қайта дәнекерлеген мамандарды шақыруға тура келді. Біздің кері тәжірибеміз басқаларға пайдасын тигізер деген үміттемін.
Сурет 1.6. Талшықтағы толқын ұзындығынан жарық жұтылуының тәуелділігі
Суреттен көріп тұғанымыздай жұтылудың төмендері телекоммуникациялық мақсаттар үшін қолданылатын 1300 және ~1500 нмге келіп тұр. Толқын ұзындығы 1300 нм кезінде әртүрлі толқын ұзындықтарының дисперсиясының таралу жылдамдықтары төмен. ~850 нм диапазоны жоғары жұтылумен сипатталады, бірақ лазерлер сияқты электроника бір материалдан дайындалуы мүмкін (арсенид галлия). Қолданылатын оптикалық диапазондар жасыл түпен белгіленген.
Сурет 1.7. Дисперсияның толқын ұзындығынан тәуелділігі
Суреттен көрініп тұрғандай, 1300 нм-ден асатын ұзын толқын ұзындықтары қысқа толқындарға қарағанда жылдам қозғалады. 1300 нм толқын ұзындықтары үшін кері жағдай орын алады, одан да ұзын толқындар қысқа толқындарға қарағанда баяу қозғалады. Бірмодалы талшықтарда бұрмалануға таралу жылдамдығының дисперсиясы әсерін тигізеді, ал көпмодалыларға модалы дисперсия әсерін тигізеді.
Талшықты жүйелердің нашар жерлерінің бірі талшықтардың жалғанған жерлері мен жалғағыштары жатады. Талшықтың орталық бөлігінің диаметрін есепке ала отырып, жалғанған талшықтардың остерінің бирнеше микронға жылжуы (әсіресе орталық ядросының диаметрі 10 микроннан аспайтын бірмодалы түрлерде) немесе талшықтардың қиылған жерлерінде пішінінің деформациясы осындай жағдайларға алып келеді.
Сурет 1.8. Талшықтың өз ұзындығынан өткізу жолағына тәуелділігі
Оптикалық талшықтар үшін жалғағыштар әдетте суретте көрсетілгендей құрылымда болады, және керамикадан дайындалады. Жалғағыштағы жарық шығындары 10-20 % құрайды. Салыстыру үшін талшықтарды дәнекерлеу 1-2% шығыннан аспайды. Сонымен қатар, шамамен 10% (splice) шығынмен сипатталатын, талшықтардың механикалық тұтасуының техникасы бар. Оптикалық сигналдардың динамикалық диапазонының қолайлы түрде келісуі және кіріс құрылғының сезімталдық интервалы үшін оптикалық аттенюаторлар талшықты кабель және қабылдағыш арасындағы саңылауды арттыратын, жұқа металды шайбалардан тұрады.
Сурет 1.9. Оптикалық жалғағыштың сұлбасы
Арақашықтық үшін талшықтың ұзындығы үлкен болса, ал жолда тұтынушылар жоқ болса, онда аралықтарында сигнал күшейткіштерін орнату керек (ЭЕМ болуы міндетті емес).
Сурет 1.10. Аралықты талшықты күшейткіш
Оптикалық талшықтарды пайдаланып сақиналы құрылымдарды ғана жасап қоймай, желі көрінісін хаб арқылы және байланыстың эквивалентті кабельді сегментінің сипаты бойынша құру мүмкін болады. Мұндай желінің көрінісі суретте көрсетілген (пассивті хаб-концентратор). Бұл субжелінің базалық элементі болып мөлдір цилиндр болып табылады, дөңбек кесіндінің біреуіне субжеліні құрайтын, құрылғылардың барлық таратқыш интерфейстері талшықтың шығысына қосылады. Басқа дөңбек кесінді арқылы сигнал интерфейстің фото қабылдағышының кірісіне келіп түседі. Сонымен, интерфейстердің біреуімен жіберілген сигнал субжеліге қосылған қалған барлық интерфейстердің кірісіне түседі. Сонымен бірге, жарық шығыны 2С + S + 10*log(N) құрайды, мұндағы С - жалғағыштағы шығыдар, S - пассивті тармақтаушыдағы шығындар, ал N - оптикалық арналар саны (N 64-ке жетуі мүмкін). Қазіргі заманғы қабылдағыш-таратқыштардың микросұлбалары (DIP корпусы) оптикалық кабельдерге арналған орнатылған ажыратқыштары бар (62,5125мкм немесе 10125 мкм). Бұлардың кейбіреулері (мысалы ODL 200 AT&T) қоректі өшірген кезде, оптикалық айналма жолда ауыстыруды іске асыра алады.
Сурет 1.11. Пассивті оптоталшықты хабтың сұлбасы
Соңғы уақытта оптикалық арналарды арзандату жұмыстары толқын ұзындықтары бойынша бөліп мультиплексірлеу арқылы жетіп отыр. Бұл техниканың есебінен 16-160 есе бір талшыққа есептелген арнаның кеңжолақтылығын артты. Мультиплексірлеудің сұлбасы суретте көрсетілген. Арнаның кірісінде сигналдар призманың көмегімен бір ортақ талшыққа бірігеді. Шығысында баламалы призманың көмегімен бұл сигналдар бөлінеді. Кірісінде және шығысында талшықтар саны 32 және одан да көп болуы мүмкін (соңғы уақытта призманың орнына өте кішкентай айналар қолданылады, олар толқын ұзындығы бойынша 2D-жазбада (немесе 3D) қолданылады. Талшық материалын таза алу технологиясын құрастыру бірмодалы талшықтың өткізу жолағын 100 нм-ге дейін (1=1550 нм талшық үшін) кеңейтуге мүмкіндік берді. Бір арнаның жолағы 2-ден 0,2 нм-ге дейінгі диапазонда жатуы мүмкін. Бұл технология жақын арада ақпаратты тасымалдауды бір талшық арқылы 1-ден 10 Тбитс дейінгі жылдамдықта артуы мүмкін.
Сурет 1.12. Оптикалық талшықты толқын ұзындығы бойынша бөліп мультиплексірлеу
Сурет 1.13. Оптикалық талшықта толқын ұзындықтары бойынша көпарналы мультиплексірлеп бөлу сұлбасы. TE - терминалды құрылғы; L - лазер; MD - оптикалық мультиплексор-демультиплексор
Сурет 1.14. Оптикалық ақпараттық ағындарды қайта бағыттау сұлбасы (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)
Талап етілген бағдарлауды іске асыру үшін коммутациялық түйінде ағынның толқын ұзындығын ауыстыру керек. Бұл операцияның сұлбасы 1.1.13 суретте көрсетілген (а) OADM - (optical adddrop multiplexer), (b) OXC - (optical cross-connect) - оптикалық коммутауия, (c) OXC - толқын ұзындығы ауысымды.
Сурет 1.15. Оптикалық ақпараттық ағындарды толқын ұзындықтарының ауысымды және ауысымсыз қайта бағыттау сұлбасы (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)
1.2. ФОТОГАЛЬВАНИКАЛЫҚ БАТАРЕЯЛАРДЫ ЗЕРТТЕУ
Оптоталшық арқылы электр қорегін жіберудің құрастырылған жүйесі инжекционды InGaAsPInP, оптоталшықты шығысы бар Фабри-Перо лазерінен, 1300 нм-лі толқын ұзындығынан және оптикалық сәулеленудің 1 Вт-қа дейінгі шығыс қуаты бар, толқын ұзындықтар бойынша бөлуі бар 13001550 екі қалыпты мультиплексордан, SMF-28e типті бір қалыпты оптоталшықтан және көпмодалы оптоталшықпен түйіскен p-i-n негізінде 2 мм-лі диаметрі бар InGaAsInP гетероқұрылымды фотогальваникалық батареядан тұрады. Жүйенің маңызды бөлігі болып оптикалық энергияны түрлендіргіш болып табылады (фотогальваникалық батарея). Тәжірибеде түрлендіргіштің екі түрі қолданылды және лазер - оптоталшық - фотогальваникалық батарея түрлендірулерінің сүлбасының екі әртүрлі нұсқасы жиналды. Бірінші нұсқада Фабри-Перо резонаторы бар лазер қолданылды, 285 қалыпты бірмодалы талшық Corning SMF-28e және кремнилі pin - фотодиод қолданылды.
Сурет 1.16. JDSU (АҚШ) фирмасының оптоталшық арқылы электрқорегін тасымалдау сұлбасы
Жүйе электрлік қуатты 300мВт-қа дейін және тиімділігі оптикалық қуатты электрлік қуатқа түрлендіру тиімділігі 40%-ке қамтамасыз етеді. Жүйенің тасымалданатын электрлік қуаты 1 км-ге дейін тиімділігі шектеулі және фотогальваникалық батареялар үшін сәулеленудің қуаты нашар болады, ал электрқһрегін 10 км-ден жоғары қашықтықта тасымалдау - рамановты шашырау жағдайында бәрмодалы оптоталшықтың оптикалық сәулеленуінің қуаты шектеулі болады.
1.3. Оптикалық талшық арқылы энергияны жібеудің спектралды тиімділігі
Оптоталшықты желілер байланыс саласындағы келешегі бар бағыттардың бірі болып табылады. Оптикалық арналардың мыс кабелдер негізіндегі ақпараттық желілерге қарағанда өткізгіштік қабілеттері жоғары болып келеді.
Оптикалық талшықтар үлкен арақашықтыққа үлкен ақпарат ағындарын жіберу үшін жетілдірілген орта болып табылады. Ол негізі екі кремний окисі құрайтын, ең көп таралған және арзан материалдан жасалатын кварцтан дайындалады. Оптикалық талшықтар өте шағын және жеңіл, олардың диаметрі 100 мкм шамасында болады.
Оптоталшықтар мысты байланыс жүйелерінде кейбір мәселелерді алып тастайтын электромагнитті өрістерге қарсы тұра алады. Оптикалық желілер сигналдарды төмен шығынмен үлкен қашықтыққа жібере алады. Осыған қарамастан бұл технология қымбат бағалы болып қала береді, оптикалық құрауыштары үнемі төмендеп тұрады, сол уақытта мыс желілердің мүмкіндіктері өзінің шектеулі мәндеріне жақындап келеді және бұл бағыттың ары қарай дамуына өте үлкен шығын талап етіп отыр.
Талшықты-оптикалық байланыс желілер тақырыбы қазіргі кезде маңызды, болашағы бар және қарастыру үшін қызықты болып отыр.
1. Құрылу тарихы
Талшықты оптика байланысты қамтамасыз ететін құрал ретінде танымал және кеңінен қолданылады, технологияның өзі қарапайым және құрылғанына көп уақыт болған. Айнымалы арқылы жарықтық шоғырлардың бағытын сыну жолы арқылы жасау тәжірибе жұмыстары 1840 жылы Даниал Колладон (Daniel Colladon) мен Жак Бабинет(Jacques Babinet) көрсеткен болатын. Бұл технологияны тәжірибе жүзінде ХХ ғасырда қолданыла бастаған болатын.
Өткен жүзжылдықтың 20-шы жылдары оптикалық түтік арқылы сурет жіберу мүмкіндіктері Кларенсом Хаснелл (Clarence Hasnell) және Джон Берд (John Berd) тәжірибешілері арқылы құрылған болатын.
1970-ші жылы Corning компаниясының мамандарымен ойлап табылған оптоталшықтар, опталшықтар технологиясының даму тарихындағы ең сәтсіз жағдайлардың бірі деп санауға болады. Құрастырушылар бір километр қашықтықта оптикалық сигналдың қуатын 1 пайыздан артық сақтап тұра алмайтын өткізгіш ойлап тапты.қазіргі өлшеулер бойынша бұл шағын жетістік болып табылады, ал 40 жыл бұрын бұл сымды байланыс жаңа түрін құру үшін керекті шарттардың бірі болып саналған.
80-ші жылдары FDDI стандартының пайда болуымен байланысты кең ауқымды тәжірибелері жасалды. Бұл бірінші кездегі желілер қазірге дейін жұмыс істеп келе жатыр.
90-шы жылдары талшықты оптиканың арзан жиынтықтарының өндірісіне байланысты жаппай қолданысқа ие болды. Талшықты-оптикалық желілердің өсу қарқыны жарылғыш сипатқа ие.
00-ші жылдары ақпаратты тасымалдау жылдамдығының өсуі, толқындық тығыздау технологиясының пайда болуы (WDM, DWDM) Талшықтардың жаңа түрлері.
1.4.Оптикалық талшықтар және оның түрлері және
талшықты-оптикалық байланыс желілері түсініктері.
Талшықты-оптикалық байланыс желілері (ТОБЖ) - бұл оптикалық талшық ретінде танымал, оптикалық диэлектрлік толқын арнасы арқылы ақпарат жіберілетін тасымалдаушы жүйе болып табылады. Сонымен бұл не?
Оптикалық талшық - желі (core) деп аталатын, өте жұқа шынылы цилиндр, шыны қабатымен жабылған (1-ші сурет), сыну коэффициенті желіге қарағанда басқа қабықшаны айтамыз. Талшық осы облыстағы диаметрлермен сипатталады, мысалы, 50125 мағынасы, талшықтың өзегінің диаметрі 50 мкм және сыртқы қабықшасының диаметрі 125 мкм дегенді білдіреді.
Оптоталшықтың құрылымы
Жарық талшықтың өзегі бойынша, қабықшасы мен өзек арасындағы шекарада тізбектелген толық ішкі шағылуының есебінен таралады; оның іс-әрекеті түтікке келіп түскенде, қабаты айнамен жабылған қабырғаларына ұқсайды. Алайда кәдімгі қарапайым айналарға қарағанда, тиімді болып саналмайтын шағылуы, толықтай ішкі шағылуға құрылымы бойынша идеалды түріне жақын болып келеді. Олардың төмен шығынсыз үлкен қашықтыққа талшық бойымен жарықты таратуға мүмкіндік беруі ең маңызды ерекшеліктерінің бірі болып табылады.
Мұндай үлгіде (2-ші сурет) жасалған талшықтар, сыну көрсеткішінің сатылы көрінісі бар талшық және көпмодалы деп аталады. Жарық сәулесінің таралуы үшін көптеген амалдар немесе модалар қарастырылған.
Мұндай көптеген модалар импульстің дисперсиясына алып келеді, және әрбір мода талшық бойында әртүрлі жолдармен өтеді, сол себепті әртүрлі модалар бір талшықтан екіншісіне өту кезінде іртүрлі кідірістерге ұшырайды. Бұл құбылыстың нәтижесі - берілген талшықтың толқын ұзындығында тиімді түрде жібере алатын максималды жиіліктерді шектейді, жиілігін немесе талшық ұзындықтарын үлкейту, импульстерінің бір-біріне бірігіп кетуіне алып келеді және оларды кейін ажырату мүмкін болмай қалады. Қарапайым көпмодалы талшықтар үшін бұл шек шамамен 15 МГцкм-ге тең, мысалы, бейнесигналды 5МГц жолағында максималды 3 км қашықтыққа жібере аламыз дегенді білдіреді (5 МГц х 3 км = 15 МГц км). Сигналдарды аса үлкен қашықтыққа жіберіп көретін болсақ, онда ол үлкен жиілікті шығындарға алып келеді.
Бұл сандарды қолдану кейбіреулеріне өте үлкен, және өте кең өткізу жолағы бар талшықты құрастыру жұмыстары басталды. Бір амалдарының бірі - өте кішкентай мәндерге талшық диаметрін кішірейту болды (8-9 мкм), сол үшін бір ғана талшық мүмкін болып отыр. Бірмодалы деп атайтын талшықтар (2-ші сурет (b))дисперсияны айтарлықтай төмендетеді, және нәтижелік жолақ ГГцкм жағдайында оларды ортақ қолданыстағы (РТТ) телефондық және телеграфтық желілер үшін және телевизияның кабелдік желілері үшін идеалды етеді. Өкінішке орай, өте кішкентай диаметрлі талшықтар өте қуатты, прецизионды біріктірілген, сол себепті, лазерлі диодтағы қымбат тұратын сәулелендіргіш жобаланған желілердің тартылыс күшімен төмен байланысқан және ол қолданыс аясын азайтады.
Идеалды жағдайда бірмодалы талшықтардағы өткізу жолағы сияқты талшықтар талап етіледі, бірақ диаметрі бойынша светодиодтарда арзан таратқыштарды қолдану мүмкін болатындай көпмодалыларға ұқсайды. Кейбір жағдайларда бұл талаптарды сыну көрсеткішінің градиентті өзгеріс болатын көпмодалы талшықтар қанағаттандыра алады ((3-ші сур.(с)). Ол жоғарыда айтылып кеткен сыну көрсеткіші сатылы өзгеріске ұщырайтын көпмодалы талшықты еске салады, бірақ оның өзегінің сыну көрсеткіші біртекті емес, ол орталығында максималды мәннен перифериясындағы төмен мәнге дейін өзгереді. Бұл екі жағдайға әкеледі. Біріншісі - жарық жеңіл майысып жатқан жол бойынша таралады, екіншісі - ең маңыздысы - әртүрлі модаларда таралу кезіндегі кідірістерінде айырмашылықтар аз болады. Бұл талшыққа үлкен бұрышпен кіріп тұратын және үлкен жолға келіп түсетін модалар, орталық бөлігінде бір-бірінен алшақтайды, ол жерде сыну көрсеткіші төмендейді, және талшықтың осіне жақын қалатын төмен ретті модалар үлкен сыну көрсеткіші бар облыста жылдам қозғалады. Жылдамдығын арттыру үлкен өткізкіштік қасиетін арттырады.
Градиентті сыну көрсеткіші бар көпмодалы талшықтар идеалды деп саналмайды, бірақ жақсы өткізу жолағын қамтамасыз етеді. Тәжірибеде бұл өткізу жолағы үлкен назар аударылатындай параметр болып табылмайды.
Бірақ сөну үшін бұл ондай емес. Оптикалық сигнал барлық талшықтарда жарық көздерін таратқыштарда толқын ұзындықтарынан тәуелді жылдамдықпен сөнеді (3-шу сурет). жоғарыда айтылып кеткендей, оптикалық талшықтардың сөнуінің үш толқын ұзындығы бар, - 850, 1310, және 1550 нм. Олар мөлдір айна ретінде белгілі. Көпмодалы талшықтар үшін 850 нм толқын ұзындықтарында - бірінші және жиі қолданысқа ие. Бұл толқын ұзындығында сапалы градиентті көпмодалы талшық 3 дБкм ретті сөнуді көрсетеді. Ол 3 км жоғары арақашықта тұйықталған ТВ жүйесінде байланыстың іске асырылуына мүмкіндік береді.
1310 нм толқын ұзындығында да тура сол жағдай, талшық пропорционалды түрде байланыс арақашықтығын 12 км-ге дейін үлкейте отырып, сөну коэффициентінің өте төмен 0,7 дБкм көрсеткішін көрсетеді. 1310 нм - ол бірмодалы оптоталшықты жүйелер үшін бірінші жұмыс терезесі болып табылады, сонымен қоса сөну көрсеткіштері 0,5 дБкм шамасында, лазерлі диодтардың таратқыштарымен үйлесе отырып 50 км арақашықтықта байланыс желілерін құруға мүмкіндік береді. Мөлдір екінші терезеге - 1550 нм жатады, өте ұзын байланыс желілерін құруда қолданылады (талшықтың сөнуі 0,2 дБкм шамасында).
1.5. Оптоталшықты кабелдер классификациясы
Оптоалшықты кабелдер ұзақ уақыт бойы белгілі, оны Ethernet стандарттары 10 Мбитс өткізу жолағы үшін көптеген уақыт бойы қолдап келді. Олардың ең алғашқылары FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) деген атқа ие болды, ал кейінгілері - 10BaseF болды.
Қазіргі кезде әлемде әртүрлі мақсаттағы оптикалық кабелдерді өндеретін бірнеше ондаған фирмалар бар. Олардың ішіндегі ең танымалдары: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия).
Оптоталшықты кабелдерді анықтайтын параметрлер пайдалану шарттары және байланыс желісінің өткізгіш қабілеттері. Кабелдерді пайдалану шарттары бойынша екі негізгі топқа бөледі (4-ші сурет).
Ішкі объективтілер ғимараттардың ішінде және құрылыстарда салу үшін арналған. Олар шағын, жеңіл, согағ сәйкес аздаған құрылыс ұзындығына ие.
Магситралды жүйелер кабелді коммуникациялар орындарында, су астында, топырақта, ЛЭП айналасында тіреуіштерінде төсеу үшін арналған. Бұл кабелдер сыртқы әсерлерден қорғанысқа ие және екі километрден асатын құрылыс ұзындығына ие.
Байланыс желісін үлкен өткізу қабілеттілігімен қамтамасыз ету үшін төменгі сөну коэффициентіне ие, бірмодалы талшықтардың бірнешеуінен тұратын (8-ге дейін) оптоталшықты кабелдер өндіріліп жатыр, ал таратып тұратын желілер үшін бірмодалылар және желі сегменттерінің арасындағы қашықтығына тәуелді көпмодалылар сияқты 144-ке дейін талшықтармен қамтамасыз ете алады.
Көптеген қолданыс аясында талшықты оптика көптеген артықшылықтарға ие.
Тасымалдау кезінде төмен шығын. Төмен шығынды талшықты-оптикалық кабелдер сурет сигналдарын үлкен қашықтыққа бағдарлаушы күшейткіштерінсіз немесе репитерсіз тасымалдауға мүмкіндік береді. Бұл әсіресе алыс қашықтыққа тасымалдау сұлбаларын жіберуде ыңғайлы, мысалы, жиі кездесетін 20 км-лі аумақтарда, автожолдар мен теміржолдарды бақылау жүйелерінде қолданылады.
Сигналды кеңжолақты тасымалдау. Оптикалық талшықтың кең жолақты тасымалдауы бір уақытта бір талшықты-оптиклалық кабель арқылы жоғары сапалы бейне, дыбыс және сандық мәліметтер жіберуге мүмкіндік береді.
Кедергілерге қарсы тұра алушылық. Оптоталшықты кабелдердің сыртқы электрлік кедергілерді сезбеушілік және тарту жұмыстары жұйенің жұмысын құрастырушылар жақын орналасқан қорек желілерінің жақын орналасуын ескермесе де тұрақты қамтамасыз етеді.
Электрлі оқшаулау. Оптоталшықты кабелдердің электр өткізгіштігінің болмауы жер шамасының өзгеруімен байланысты мәселелер, мысалы, электр станциялары үшін немесе темір жолдар үшін болмайды. Олардың бұл қасиеті сел және т.б. болатын ток ұру қауіптерінен болатын, құрылғының зақымдану қаупін алшақтатады.
Жеңіл және шағын кабелдер. Оптикалық талшықтардың және оптоталшықты кабелдердің кішкентай көлемдері лық толған кабелді каналдарды екінші рет сақтап қалуға мүмкіндік береді. Мысалы, коаксиалды кабель 24 оптикалық кабель орнындай орын алады, олардың әрқайсысы шамамен бір уақытта 64 бейнеарна және 128 аудио немесе бейнесигнал жібере алады.
Ескірмеген байланыс желілері. Кабелдердің емес, шеткі құрылғыларының қарапайым орын ауыстырғыштарын, талшықты-оптикалық желілерді ақпаратты үлкен көлемді түрде жіберу үшін жетілдіруге болады. Басқа жағынан қарағанда, желінің өзін немесе бір бөлігін мүлдем басқа мақсаттар үшін қолдануға болады, мысалы, бір кабелде жергілікті есептегіш желіні және тұйықталған ТВ жүйесін біріктіруге болады.
Жарылғыш және өрт қауіпсіздігі. Ұшқындалу қасиетінің жоқтығынан оптикалық талшықтар химиялық, мұнай қорытушы орындарда, қаупі жоғары технологиялық процестерге қызмет көрсету кезінде желінің қауіпсіздігін арттырады.
ТОБЖ-нің үнемділігі. Талшық мыстан бөлек кең таларған, қысбат емес материалдан жасалған, негізін кремний екі окисі құрайтын кварцтан дайындалған.
Пайдаланудың ұзақ мезгілі. Уақыт өте келе талшық нашарлай бастайды. Бұл пайдаланып отыған кабелдегі сөну жай өсе бастайды. Аладйа, қазіргі таңда оптикалық талшықтардың қазіргі таңдағы өндіру технологиялары арқасында бұл процесс баяулатылған, және талшықты-оптикалық кабельдердің қызмет ету мерзімі шамамен 25 жыл. Осы уақыт ішінде қабылдап-таратқыш жүйелерінің бірнеше стандарттарына ауысуы мүмкін.
1.6. Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің кемшіліктері
Құрастырудың үлкен қиыншылықтары. Кызметкерлердің біліктілігінің жоғарлылығы мен арнайы құралдар. Сол себепті опоталшықты кабельдер алдын ала әртүрлі ұзындықта кесілген түрінде сатылады. Екі ұшында керекті түрде жалғағыштар орнатылған. Оптоталшықты кабельдерді пайдалану жарық сигналдарын арнайы электрлікке және кері түрлендіретін оптикалық қабылдағыштар мен таратқыштарды талап етеді.
Оптоталшықты кабельдер электрліктерге қарағанда мықты емес және майысқақ. Қарапайым майысу радиусы шамамен 10-20 см-ды құрайды, ал одан майысу радиусы аз болса, онда орталық талшық үзілуі мүмкін.
Опталшықты кабель шыныталшықтың мөлдірлігі төмендететін иондаушы сәулеленулерге сезімтал, болып келеді, яғни сигналдың сөнуі арта түседі.
ТОБЖ электронды құраушылары. Ақпаратты жіберу қағидалары
Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінде ақпаратты жіберу қағидаларын жалпы түрде көмегімен анықтауға болады.
Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінде ақпаратты жіберу қағидалары
1.7. Талшықты оптика үшін таратқыштар
Талшықты-оптикалық таратқыштардың маңызды қағидалары болып жарық көзі болып табылады (әдетте жартылайөткізгішті лазер немесе светодиод (6-шы сурет)). Екеуі де бірдей мақсатта қолданылады, үлкен жиілікте модуляциялай алатын (қарқындылығы жағынан өзгерту) және үлкен ПӘК-пен талшыққа кіргізе алатын жарық шоқтарының микроскопиялық генерациясы үшін қолданылады. Лазерлер светодиодтарға қарағанда шоқтың жоғары қарқындылығын қамтамасыз ете алады, және модуляцияның үлкен жиілігін жібере алады; сол себепті олар тартылысы өте үлкен кеңжолақты желілер үшін қолданылады, мысалы, телекоммуникация және кабельді телевизия. Басқа жағынан қарағанда, светодиодтар - өте арзан және мықты құрылғы болып табылады, және кіші және үлкен тартылысты жүйелердің көптеген түріне тура келеді.
Функционалды қызметінен басқа (яғни ол қандай сигнал жіберу керек деген), талшықты-оптикалық таратқыш лның қасиеттерін анықтайтын екі маңызды параметрлермен сипатталады. Біріншісі - оның оптикалық сәулеленуінің шығыс қуаты (қарқындылығы). Екіншісі - түсіріліп жатқан жарықтың толқын ұзындығы. Әдетте ол 850, 1310 немесе 1550 нм болады, бұл мәндер оптикалық талшықтың материалнының өткізу сипаттамаларында мөлдір терезелерге сәйкес шарттардан алынған мәндер болатын.
Талшықты оптика үшін қабылдағыштар
Талшықты оптиканың қабылдағыштар өте маңызды қызмет атқарады - талшықтың бір бөлігінен түсіріліп жатқан нашар оптикалық сәулеленуді детектірлеу және алынған электрлік сигналды бұрмаланусыз және шуылсыз керекті дәрежеде күшейту. Қабылдағышқа қойылатын шығыс сигналдың керекті сапамен қамтамасыз ету үшін сәулеленудің ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Әл - Фaрaби aтындaғы Қaзaқ ұлттық унивeрситeтi
Физика-техникалық факультеті
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
Қoрғaуғa жiбeрiлдi
______________2015ж
Кaфeдрa мeңгeрушiсi,
ф.-м.ғ.д., профессор Приходько О.Ю.
ДИПЛOМДЫҚ ЖҰМЫС
Тақырыбы: ОПТИКАЛЫҚ ТАЛШЫҚПЕН САУЛЕ ЭНЕРГИЯСЫН ТАСЫМАЛДАУДЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ ӨТІМДІЛІГІ
5B071900 - Радиотехника, электроника және телекомуникациялар мaмaндығы бoйыншa
Oрындaғaн
Әлі.А.Б
Ғылыми жeтeкшi
ф.-м.ғ.к., аға оқытушы
Сванбаев Е.А.
Нoрмa бaқылaушы
Төлегенова А.
Aлмaты, 2015
Қaзaқстaн Рeспубликaсының Бiлiм жәнe ғылым министрлiгi
Әл - Фaрaби aтындaғы Қaзaқ ұлттық унивeрситeтi
Әлі.А.Б
ОПТИКАЛЫҚ ТАЛШЫҚПЕН СӘУЛЕ ЭНЕРГИЯСЫН ТАСЫМАЛДАУДЫҢ СПЕКТРАЛДЫҚ ӨТІМДІЛІГІ
ДИПЛOМДЫҚ ЖҰМЫС
5B071900 - Радиотехника, электроника және телекомуникациялар
мамандығы
Aлмaты 2015
РЕФЕРАТ
Диплoм жұмысы 58 бeттeн, 32 сурeттeн, 4 кeстeдeн, 9 әдeбиeт көздeрiнeн тұрaды.
Негізгі ұғымдар:
Оптикалық талшықпен сәуле энергиясын тасымалдаудың спектралдық өтімділігін анықтау.Сонымен қатар талшықты оптикалық жүйелердегі негізгі ұғымдарды түсініп,тақырыпты сол анықтамалар арқылы ашу.
РEФEРAТ
Диплoмнaя рaбoтa излoжeнa нa 58 стрaницaх и сoстoит из 32 рисункoв,4 тaблиц и сoдeржит 9 списoк испoльзуeмoй литeрaтуры.
Основные термины:
Целью дипломной работы является определить спектральную эффективность передачи энергии по оптоволокну. А так же понять основные термины волоконно-оптических систем используя этих терминов раскрыть тему работы.
ABSTRACT
The diploma project is presented on 58 pages and consists of 32 figures, 4 tables and contains 9 list of literature.
Basik terms:
The aim of the thesis is to determine the spectral efficiency of power transmission over fiber. And also understand the basic terms of fiber-optic systems using these terms to develop a theme of work.
МАЗМҰНЫ
Кіріспе 4
1. Оптикалық талшықпен сәуле энергиясын тасымалдау 6
1.1 Жүйелерді талда 6
1.2.Фотогальваникалық батареяларды зерттеу 21
1.3. Оптикалық талшық арқылы энергияны жібеудің спектралды тиімділігі 22
1.4.Оптикалық талшықтар және оның түрлері және талшықты-оптикалық байланыс желілері түсініктері 23
1.5. Оптоталшықты кабелдер классификациясы 25
1.6. Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің кемшіліктері 26
1.7. Талшықты оптика үшін таратқыштар және қабылдағыштар 27
1.8. ТОБЖ қолданыс аясы 28
1.9. Оптоталшықты ТВ бақылау жүйесі 29
1.10. Бейнесигналдарды мультиплексірлеу 30
1.11. Кабельді желінің инфрақұрылымы 31
1.12. Шалаөткізгішті лазерлер 32
1.13. Шалаөткізгішті светодиодтар 33
1.14. Фотоқабылдағыштар 34
1.15. Лазерлер 36
1.16. Талшықты лазерлердің ерекшеліктері 38
1.17. Шалаөткізгішті фотоэлементтер 45
2. Жүйені тестілеу және оны пайдалануға енгізу 48
2.1. Оптикалық арна бойымен энергия тасымалда 49
2.2. Оптикалық талшық арқылы энергия жіберудің спектральді тиімділігі 54
2.3. Қорытынды 57
2.4. Пайдаланылған әдебиеттер тізімі 58
Кіріспе
Оптоталшықты ақпаратты қабылдаптарату үшін әртүрлі құрылғылар мен алыстан қабылдаптаратушы модулдер электрқорегін қамтамасыз ету үшін мыс кабельдерді тартуды талап етеді. Мұндай жүйелердің параметрлерін зерттеу барысында бұл технология металды кабелдермен электрқорегін таратудан қымбат болып саналды, бірақ кейбір салаларда оның қолданылуы мүмкін.
Мысалы: жоғары деңгейде электромагнитті кедергілері бар жүйелерде (әртүрлі электромагнитті сәулеленуді өлшегіштер мен электртаратқыш сызықтарын бақылағыштар); агрессивті және жарылу қаупі бар орталарда (жанармайлы есептегіш жүйелерде, жерасты зерттеулер, картографиялау және сейсмикалық белсенділікті бақылауда) өрт және байланыстың ұшқындауынан жарылу қауіпсіздігін қамтамасыз ету мен металды өткізгіштерді ортаның компоненттерімен өзара байланыстырудан қорғау міндетті болатын жүйелерде; адам ағзасын зондпен тексеру жұмыстарында қолданылатын, электрқорегін оптоталшық арқылы тарататын медициналық диагносткалық құрылғыларда қолданылады; жаппайгабаритті сипаттамаларының айтарлықтай жақсаруына алып келетін, борттық аспапта бөлінген құрылғыларды электрқорекпен қамтамасыз ету үшін; технологиялық тұрғыда қосымша қорек кабелін тартуға болмайтын немесе оны тарту үлкен материалдық шығынмен байланысты әртүрлі жүйелерде (шахтадағы құрылғылар, бейнекамера бақылауларында).
Жоғарыда айтылған салаларда оптоталшықты электрқорегін таратудағы ерекшеліктері болып: электромагнитті кедергілерге қарсы тұру, агрессивті қоршаған ортаға жоғары тұрақтылық (оптоталшықты өндіретін төменгі 282 кремний оксидінің SiO2 химиялық белсенділігі), жарылу қаупі бар орталарда және жоғары температура мен қысымдарды жұмыс істеу мүмкіндігі, электрлік оқшаулауды толық талап ету, салмақты габаритті көрсеткіштерінің аздығы.
Жұмыстың мақсаты: Оптикалық талшықпен сауле энергиясын тасымалдау, спектралдық өтімділігін есептеу.
1. ОПТИКАЛЫҚ ТАЛШЫҚПЕН САУЛЕ ЭНЕРГИЯСЫН ТАСЫМАЛДАУ
1.1 Жүйелерді талдау
Ең бірінші электрқорегін тарату технологиясын 1978 жылы Bell Telephone Laboratories (АҚШ) қызметкерлері дыбыстық сигнал беру қорегі үшін қолданды. 1999 жылы бірінші рет адамның биоэлектрлік шамасын өлшейтін медициналық диагностикалық құрылғы үшін электрқоректі оптоталшық арқылы тарату жүйесі құрылды (сур.1.1). 9% ретті тиімділігі бар 53 мВт электрлік қуат қамтамасыз етіледі.
Электрқорек және басқару үшін оптоталшық _Q_. Электрқоректің қор(резерв) жүйесі. Фотогальваникалық батарея. 1 қуат бақылаушы*. .І.Декодер. деректерді тарату үшін оптоталшық. Өлшегіш аспап.
Сурет 1.1. Диагностикада оптоталшық бойынша қорек тарату жүйесін қолдану
2000 жылы NTT Photonics Laboratories (Жапония) лабораториясында электрқорегін 2 Вт электрлік қуатты және 5 В кернеуді қамтамасыз ететін талшықты-оптикалық кабель арқылы электрқорегін тарату жүйесі құрастырылды. Электрлік энергияны оптикалыққа түрлендіретін оптикалық көзі ретінде толқын ұзындығы 808 нм генерациялы AlGaAsGaAs лазерлі диоды қолданылды, оптикалық сәулеленудің максималды қуаты 3 Вт және әсерлілігі 11 % болды. Электрқорегі тарату үшін өзегінің диаметрі 200 мкм және ұзындығы 200 м болатын көпмодалы оптоталшық қолданылды.
Оптикалық қуатты электрлікке түрлендіру үшін 283 ие, әсерлілігі 31% болатын алты GaAs-ден фотогальваникалық батарея p-i-n фотодиоды қолданылды. 2 Вт қуатты жіберу үшін әрқайсысына 400 мВт оптикалық қуат қажет ететін 5 фотогальваникалық батарея, соған сәйкес 5 оптикалық талшық қажет болды. Жалпы жүйенің жиынтық тиімділігі 3% құрайды.
Электрқоректі тарататын оптикалық талшық;
Фотогальваникалық батарея;
Ақпаратты тарататын оптикалық талшық;
Кодерлеуші тізбек 1 ^ а -- Т ::а * я п ::9-;
Фотогальваникалық модуль ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ J~ ~;
Бес фотогальваникалық модуль;
Оптикалық талшықтар ад к ф д н ь п :: V W -- 5 V;
Сурет 1.2. NTT Photonics Laboratories (Жапония) өндірісінің шалғайдағы қорек модулі үшін электрқорегін оптоталшық арқылы тарату жүйесі
2001 жылы берілген электрқоректі оптоталшық арқылы тарату жүйесі сәулеленуші элементті электрлік энергиямен қамтамасыз ету үшін жаңғырықсыз камераның сипаттамаларын өлшеу жүйесінде қолданылды, сонымен бірге қосымша оптоталшық өлшегіш АЖЖ(аса жоғары жиілікті) сигналды тарату үшін қолданылды . Оптоталшық арқылы элекқоректі тарату технологиясын қолдану металды кабелдер қорегінің өлшеу нәтижелері енгізген қатты бұрмалану мәселелерінің шешілуіне көмегін тигізді. Қазіргі уақытта оптоталшық арқылы электрқоректерін тарату жүйесі бойынша екі коммерциялық ұсыныс бар. RLH Industries (АҚШ) фирмасы электрқоректі екі көпмодалы диаметрі 62,5 мкм талшықты-оптикалық кабел арқылы тарату жүйесін, сонымен бірге жүйе 45 Вт электрлік қуатты тұтынады және шығыс электрлік қуат 600 мВт-қа дейін (2 талшық қолданылады) қамтамасыз етіледі деген ұсыныс тастап отыр. Жүйенің тиіміділігі 2% құрап отыр. Оптоталшық арқылы электрқоректі тарату жүйесінің өнеркәсіптік өңдеу жұмыстары JDSU (АҚШ) [6] фирмасы оптикалық қуатты 500 м дейін тарату үшін 284 өзек диаметрі 62,5 немесе 100 мкм қолданады. Лазерлі диодтардың сызғыштары өлшемі 2х2 мм 50% тиімділікті 2 GaAs фотодиод негізіндегі фотогальваникалық батареяға түрленетін толқын ұзындығы 850 нм болатын қуаты 5 Вт болатын сәулелену құрайды. Электрқоректі 10 км қашықтықта тарату үшін бірмодалы талшық және InGaAsInP негізіндегі 2х2 мм өлшемді фотогальваникалық батарея, 25% тиімділігі бар фотодиод қолданылады. Оптоталшық арқылы электрөорегін тарату жүйесінің сыртқы көрінісі сурет 1.4 көрсетілген.
Жаңғырықсыз камера;
Сәулеленуші элемент;
Қабылдағыш антенна;
Коаксиалды кабель;
Оптоталшықтар;
Қуатты лазер;
Оптикалық модулятор;
Лазерлі диод;
Тізбектің векторлы анализатор;
Сурет 1.3. Сәулеленуші элементті 3 электрлік энергиямен қамтамасыз ету үшін жаңғырықсыз камераның сипаттамаларын өлшеу жүйесінің қорек жүйесі
Оптоталшықты байланыс аз шуыл мен жоғары қауіпсіздікке кепіл береді (іс жүзінде бұру жұмыстарын жасау мүмкін емес). Пластикті талшықтар 100 метрден аспайтын байланыс ұзындықтарында және шектеулі жылдам қозғалыста (500 МГц кем емес) қолданылады. Соңғы уақыттарда (2006-7г)30 метрлі ұыздықта 40 Гбитс жылдамдықта және 220 метрлі (Lightware N4 2007) 5,35 Гбитс жылдамдықта тарататын пластикалық талшықтар өңделді. Оптикалық талшық арқылы таратудың ықтималды қателігі 10-10, ол көп жағдайда ақпараттың тұтастығын бақылауды керек етпейді.
Желілерді құру кезінде көпөзекті кабелдер қолданылады (кабельдің басқа да түрлері бар: мысалы, екі немесе төрт өзекті, және тағы жазықты). Суреттің [А] жоғары бөлігінде жеке оптоталшық бейнеленге, ал төменгі [Б] сезізөзекті оптикалық кабелдің қимасы бейнеленген. Оптоталшыққа (диаметрі d 100m ) жарық (толқын ұзындығы l ~ 1350 немесе 1500 нм) жарық сәулеленуші диод немесе жартылайөткізгішті лазер арқылы енеді. Орталық талшық сыну коэффициенті орталық ядродан (нұсқаумен талшықтағы жарық сәулелерінің жүрісі көрсетілген) төмен қабатпен (клэдинг, 1А) жабылады. Сыртының механикалық беріктілігін қамтамасыз ету үшін (2А) полимерлік қабатпен жабылады. Кабель көптеген талшықтарды қамтамасыз етуі мүмкін, мысалы 8 (1Б). Кабелдің ортасында кабелді тартуға қолданылатын (3Б) темир арқан орналасады. Сыртқы жағынан кабель темир қамшымен(2Б) қорғалады (егеуқұйрықтардан) және иілгіш полимерлі жабумен герметизацияланады(тұмшалау).
Сурет 1.4 Опталшықты кабелдің қимасы
Әртүрлі қасиеттерге ие оптикалық талшықтардың бірнеше түрлері бар. Олар бір бірінен сыну коэффициентінің орталық талшықтың радиустан тәуелділігінен ерекшеленеді 1.5суретте талшықтың үш түрі көрсетілген (А, Б және В). А және Б әріптерімен талшықтың мультимодалы түрі белгіленген. Б түрі уақыттың аз таралу дисперсиясына ие және сол себепті сигнал пішінінің аз бұрмалануын енгізеді. Жарықтық импульстарға белгілі бір пішін берсек (кері гиперболалық косинус), онда дисперсионды әсерлерді толықтай алып тастауға болады. Сонымен импульстерді мыңдаған километрлерге олардық пішінін бұрмаламай жібере алатын мүмкіндік пайда болады. Ондай импульстар солитондар деп аталады. Қазіргі заманғы технологияларда әрбір 30 километрден соң (мыс сымдар үшін 5 км қарсы) қайталағыштар қолдану керек. Мыс сымдармен салыстырғанда оптоталшықты кабелдер өте жеңіл. 1 км ұзындықта 1000 рет бұралған жұп 8 тонна болады, ал сол ұзындықтағы үлкен өткізгіштік қасиеті бар екі талшық 100 кг құрайды. Бұл жағдай оптикалық кабелдерді жоғары вольтті байланыс сызықтарында, олардың өткізгіштерінің айналасына орап және іліп тастауға мүмкіндік ашады.
Сурет 1.5.Сыну коэффициентінің радиустан тәуелділігімен ерекшеленетін оптикалық талшықтардың түрлері
В әрпімен талшықтың бірмодалы түрі белгіленген (мода түсінігі электромагнитті толқындардың таралу сипатымен байланысты). Мода Максвелл теңдеулерінің мүмкін болатын шешімдерін көрсетеді. Жеңілдетілген түрде мода - бұл талшық бойынша жарықтық тарала алатын траекторияларының бірі.
Мода саны көп болған сайын, сигнал пішінінің дисперсионды бұрмалалнуы да көп болады. Бірмодалы талшық 50-100 ГГц-км диапазонда өткізу жолағына ие болуы мүмкін. Модалық дисперсияның үлгілік мәні 15 тен 30 нсеккм дейінгі аралықта жатады.
Бұл талшықтың әртүрлілігі жарықтың кіріс кезінде аз бөлігін қабылдайды, бірақ төменгі амплитуда шығыны мен сигналдың аз бұрмалануын қамтамасыз етеді. Тағы ескерте кететін жағдай, бірмодалы талшықта жұмыс істеуге арналған құрылғы айтарлықтай қымбат болады. Бірмодалы талшықтың орталық бөлігі 3-10 m диаметрге ие, ал бірмодалы талшықты клэдинг диаметрі 30-125 m құрайды. Талшықтардағы мода саны белгілі бір жағдайда олардың ақпараттық сыйымдылығын анықтайды. Модалық дисперсия импульстердің жайылуына және олардың бір бірінің болып таптап тастауына алып келеді. Поляризационды модалық дисперсияға айналмалы симметрияның бұзылуына, механикалық кернеу, майысу, басылып қалуына және талшықтың бұралуы әсер етеді. Бұл факторлардың барлығы 10 Гбитс немесе одан жоғары ретті таралу жылдамдығында өту кезінде іске асырылады. Дисперсия талшықтың орталық бөлігінің диаметріне және жарықтың толқын ұзындығына байланысты. А типті талшық үшін n мода саны мынаған тең:
A=n12-n22 (1.1)
мұндағы d - орталық бөліктің (ядроның) диаметрі, а - талшықтың сандық ауытқуы, 1 - толқын ұзындығы. Талшықтың орталық бөлігінің диаметрі 50 m 1000 модадан тұрады. Б типті талшық үшін (сур.3.2.2) n мәні екі есе төмен. А типінің сандық ауытқуы сыну коэффициенті мен клэдингке сәйкес n1(~1,48) және n2 (~1,46) тең. А көлемі талшықтың кіріс конусының q (кіріс сәулеленудің денелік бұрышының басып алуы) кеңдігін анықтайды q=arcsine (~3,370).
Толқын ұзындығы көп болған сайын, мода саны мен сигналдың бұрмалануы аз екені көрініп тұр. Ұзынтолқынды инфрақызыл диапазон жұмысының бір себебі болып табылады. Бірақ, сол бір моданың әртүрлі толқын ұзындықтары талшық бойында әртүрлі жылдамдықпен таралады. Талшық сынудың тегістелген пішінінің көрсеткіші 1 нсеккм және одан аз дисперсияға ие. Бұл, жеке жағдайда үлкен траектория ұзындығымен талшықтың шеткі аймақтарында жарық тез қозғалады (ол жақта сыну көрсеткіші аз). Біриодалы режим жарықтың толқын ұзындығы талшықтың ядросының диаметрімен бірдей болған жағдайда іске асырылады. Талшық бірмодалы болып саналатын толқын ұзындығы табалдырықты деп аталады. 50 микрон диаметрлі талшық 1000 модадан тұрады.
Көпмодалы талшықтан ерекше, бірмодалыларды - сәулелену тек ядроның ішінде ғана болмайды. Осы себепті клэдингтің оптикалық қасиеттеріне талаптар артуда. Көпмодалы талшық үшін клэдингтің ашықтығына деген талаптары бірқалыпты.
Сөну деп әдетте талшық бойында оның қозғалысынына байланысты сигналың әлсіреуін айтады. Ол дБкм өлшенеді және 300 дБкмден пластикалық талшықтар үшін 0,21 дБкмге дейін бірмодалы талшықтар үшін өзгереді. Талшықтың өткізу жолағы дисперсиямен анықталады. Бірмодалы талшықтың өткізу жолағын мына формулаға сәйкес бағалаймыз:
BW=0,187(Disp*SW*L) (1.2)
мұнда Disp - жұмыс толқын ұзындығында секнм және секкм кезіндегі дисперсиясы; SW - спектр көзінің нм кезіндегі кеңдігі; L - км кезіндегі толқын ұзындығы;
Егер жарық көзінің диаметрі талшықтың ядро диаметріне сәйкес келмесе, онда геометриялық келісілмей байланысқан жарық шығындары келесі формуламен сипатталуы мүмкін:
шығын және диам =10log10(талшық диаметрікөз диаметрі)2
Жарық көзінің диаметрінен талшық диаметрі көп болса, онда шығын болмайды. Егер көзінің сандық ауытқуы талшық ауытқуынан көп болса, онда жарық шығыны мынаған тең:
шығын және диам =10log10(АталшықАкөз)2
Дисперсиядан бөлек оптикалық арнаның тез қозғалысы шуылдармен шектеледі. Шуылдар екі құраушыдан тұрады: бытыра және жылулық шуыл. Бытыра шуыл мына арақатынаспен анықталады:
isn2=2eiB (1.3)
мұндағы е - электрон заряды, і - қабылдағыш арқылы ағатын орташа тоқ, және В - қабылдағыштың өткізу жолағының кеңдігі. Бытыра шуылдың мәндері 25 градус Цельсий температура кезінде 25 нА құрайды.
Жылулық шуыл мына арақатынаспен анықталады:
Isn2=(4kTB)RL (1.4)
мұнда k - Больцман түрақтысы, Т - Кельвин шкаласы бойынша температура, В - қабылдағыштың өткізу жолағының кеңдігі, RL - жүктеме кедергісі. 10 МГц жолақта және 2980 К температурада бұл шуыл құраушылар 18 нА тең болады. Жылулық шуылдың құраушыларының бірі болып, температурасы 1 градусқа көтерілгенде 10% өсетін қараңғы тоқ болып табылады.
Қабылдағыштың сезімталдығы фотондардың детектор санына келіп түсетін біріншілік электрон-кемтіктік жұптар санының арақатынасымен сипатталатын кванттық тиімділікпен беріледі. Бұл параметр пайызбен беріледі (әр кезде Алм). Сонымен, егер әрбір 100 фотонға электрон-кемтік жұбының 60-ы келсе, онда кванттық тиімділік 60% тең. Фотодетектордың R сезімталдығы кванттық сезімталдықтың негізінде есептелінуі мүмкін. R=(nel)hc, мұнда е - электрон заряды, h - Планк тұрақтысы, с - жарық жылдамдығы, l - толқын ұзындығы, ал n - кванттық сезімталдық.
Талшықта инжекторлеуші сәулелену көздері жиіліктің шеткі жолағыга ие болуы мүмкін. Сонымен жарық сәулелендіруші диодтар жолағы 35 нм кеңдікті жарықты сәулелендіреді, ал лазерлер 2-3 нм (лазерлер диодтарға қарағанда бағытталған тар диаграммаларға ие).
Фотодиодтың өсі уақыты жүйенің жылдам қозғалғыштығын шектейді. Қабылдағыштың шығысындағы шуыл деңгейі де аз әсер етпейді. Сонымен қатар, жарықтық импульс қатенің төмен деңгейін қамтамасыз ететіндей жеткілікті түрде энергия тасымалдауы керек (шуыл деңгейінің жоғары екені байқалады).
Талшықта жарықтың жұтылуы бірнеше себептермен болады. Жұтылу талшықтың шынысына жиілікпен түседі, сол кезде жиіліктің артуымен шынының кемшіліктерінің (релеевті шашырау) шашырауы себебінен шығын өседі. Ал талшықтың майысуы кезінже жұтылу өседі. Осы себепті майысудың кішкентай радиустарынан қашу керек (бұл үзілуге алып келуі мүмкін). Нәтижесінде талшықтағы жарық шығындары 0,8-1,8 mтолқын ұзындықтарында 2-5 дБкм диапазонда жатады.жарық жұтылуының толқын ұзындығынан тәуелділігі сурет 6-да көрсетілген. Қолданылған диапазондар суретте жасыл түспен белгіленген. Бұл диапазондар 25000-30000 ГГц кеңдікке ие. Қазіргі кезде толқын ұзындығының 6 диапазоны стандартталған. Олар кесте 1-де көрсетілген.
Кесте 1.
Диапазон атауы
Сипаттамалары
Толқын ұзындықтарының интервалдары
O
Бастапқы
1260-1360 нм
Е
Кеңейтілген
1260-1460 нм
S
Қысқатолқынды
1460-1530 нм
С
Стандартты
1460-1530 нм
L
Ұзынтолқынды
1565-1625 нм
U
Ультра ұзынтолқынды
1625-1675 нм
Жолды төсеу кезінде есептілік пен сақтық жасау керек. ИТЭФте бірнеше жыл бұрын екі ғимарат арасында 8-талшықты кабель тартылуы керек болған. Бір учаскеде дайын кабельдік арналар болмады, және біз оны тот баспайтын темірден жасалған сымға ауада іліп қойдық. Кабельді біз өңдедік, сигналдың сөнуі (децибел үлесі) ешкандай ескертусіз бір жарым жылдай жұмыс жасады. Сосын талшықтардың бірінде сигналдың жоғалғанын көрдік және сигналды басқа қорлардың біріне ауыстыруға мәжбүр болдық. Біраз уақыттан соң ол да жұмысын тоқтатты. Басында біз кабелдің нашар жасалғанын болжады, сосын ғимараттың бірінші қабатында нашар салынған кабелдерді көрдік (майысу радиусы жарты метрдей). Соңында рефлектометрлері бар басқа дамыған технологияларды басқаруда істейтін таныс мамандарды шақыртуға мәрбүр болдық. Олар кабелді өңдеген нүктемізден 66 метр жерден үзілген жері бар екенін көрсетті. Мұнда не болды?
Нақты нұсқаулар болса да, себебін табу оңай болмады. Үзілу 4 м жоғарыда болған және жерден көрінбейді. Сымнан 30-40 м жерде теректің діңгегі болды, ол қатты жел кезінде құлаған. Сым горизонтальды жазықтықта ауысты. Бір жағынан, сымнан төменге кеткен кабель болтты майыртырды. Құрастыру кезінде кабельдің бұл бөлігі темир тармаққа ауыстырылды, бірақ сымды қозғау процесі кезінде тармақ төменге құлады. Болт бұрандасы ара сияқты істеді, басында оқшаулағыш бұзылды, сосын темир ауытқу, ақыры талшықтар бірнен соң бірі үзіле бастады (4 және 8). Ендігі бұзылулар оптикалық кабельге темир сымды тоқтатып қойды. Әрбір бұзылған жұмысқа бір жылдан көп уақыт кетті, қатты жел күнде бола бермейді, бірақ темир сымдарды аралау оңай жұмыс болған жоқ. Үзілгендерді жөндеген және талшықтарды қайта дәнекерлеген мамандарды шақыруға тура келді. Біздің кері тәжірибеміз басқаларға пайдасын тигізер деген үміттемін.
Сурет 1.6. Талшықтағы толқын ұзындығынан жарық жұтылуының тәуелділігі
Суреттен көріп тұғанымыздай жұтылудың төмендері телекоммуникациялық мақсаттар үшін қолданылатын 1300 және ~1500 нмге келіп тұр. Толқын ұзындығы 1300 нм кезінде әртүрлі толқын ұзындықтарының дисперсиясының таралу жылдамдықтары төмен. ~850 нм диапазоны жоғары жұтылумен сипатталады, бірақ лазерлер сияқты электроника бір материалдан дайындалуы мүмкін (арсенид галлия). Қолданылатын оптикалық диапазондар жасыл түпен белгіленген.
Сурет 1.7. Дисперсияның толқын ұзындығынан тәуелділігі
Суреттен көрініп тұрғандай, 1300 нм-ден асатын ұзын толқын ұзындықтары қысқа толқындарға қарағанда жылдам қозғалады. 1300 нм толқын ұзындықтары үшін кері жағдай орын алады, одан да ұзын толқындар қысқа толқындарға қарағанда баяу қозғалады. Бірмодалы талшықтарда бұрмалануға таралу жылдамдығының дисперсиясы әсерін тигізеді, ал көпмодалыларға модалы дисперсия әсерін тигізеді.
Талшықты жүйелердің нашар жерлерінің бірі талшықтардың жалғанған жерлері мен жалғағыштары жатады. Талшықтың орталық бөлігінің диаметрін есепке ала отырып, жалғанған талшықтардың остерінің бирнеше микронға жылжуы (әсіресе орталық ядросының диаметрі 10 микроннан аспайтын бірмодалы түрлерде) немесе талшықтардың қиылған жерлерінде пішінінің деформациясы осындай жағдайларға алып келеді.
Сурет 1.8. Талшықтың өз ұзындығынан өткізу жолағына тәуелділігі
Оптикалық талшықтар үшін жалғағыштар әдетте суретте көрсетілгендей құрылымда болады, және керамикадан дайындалады. Жалғағыштағы жарық шығындары 10-20 % құрайды. Салыстыру үшін талшықтарды дәнекерлеу 1-2% шығыннан аспайды. Сонымен қатар, шамамен 10% (splice) шығынмен сипатталатын, талшықтардың механикалық тұтасуының техникасы бар. Оптикалық сигналдардың динамикалық диапазонының қолайлы түрде келісуі және кіріс құрылғының сезімталдық интервалы үшін оптикалық аттенюаторлар талшықты кабель және қабылдағыш арасындағы саңылауды арттыратын, жұқа металды шайбалардан тұрады.
Сурет 1.9. Оптикалық жалғағыштың сұлбасы
Арақашықтық үшін талшықтың ұзындығы үлкен болса, ал жолда тұтынушылар жоқ болса, онда аралықтарында сигнал күшейткіштерін орнату керек (ЭЕМ болуы міндетті емес).
Сурет 1.10. Аралықты талшықты күшейткіш
Оптикалық талшықтарды пайдаланып сақиналы құрылымдарды ғана жасап қоймай, желі көрінісін хаб арқылы және байланыстың эквивалентті кабельді сегментінің сипаты бойынша құру мүмкін болады. Мұндай желінің көрінісі суретте көрсетілген (пассивті хаб-концентратор). Бұл субжелінің базалық элементі болып мөлдір цилиндр болып табылады, дөңбек кесіндінің біреуіне субжеліні құрайтын, құрылғылардың барлық таратқыш интерфейстері талшықтың шығысына қосылады. Басқа дөңбек кесінді арқылы сигнал интерфейстің фото қабылдағышының кірісіне келіп түседі. Сонымен, интерфейстердің біреуімен жіберілген сигнал субжеліге қосылған қалған барлық интерфейстердің кірісіне түседі. Сонымен бірге, жарық шығыны 2С + S + 10*log(N) құрайды, мұндағы С - жалғағыштағы шығыдар, S - пассивті тармақтаушыдағы шығындар, ал N - оптикалық арналар саны (N 64-ке жетуі мүмкін). Қазіргі заманғы қабылдағыш-таратқыштардың микросұлбалары (DIP корпусы) оптикалық кабельдерге арналған орнатылған ажыратқыштары бар (62,5125мкм немесе 10125 мкм). Бұлардың кейбіреулері (мысалы ODL 200 AT&T) қоректі өшірген кезде, оптикалық айналма жолда ауыстыруды іске асыра алады.
Сурет 1.11. Пассивті оптоталшықты хабтың сұлбасы
Соңғы уақытта оптикалық арналарды арзандату жұмыстары толқын ұзындықтары бойынша бөліп мультиплексірлеу арқылы жетіп отыр. Бұл техниканың есебінен 16-160 есе бір талшыққа есептелген арнаның кеңжолақтылығын артты. Мультиплексірлеудің сұлбасы суретте көрсетілген. Арнаның кірісінде сигналдар призманың көмегімен бір ортақ талшыққа бірігеді. Шығысында баламалы призманың көмегімен бұл сигналдар бөлінеді. Кірісінде және шығысында талшықтар саны 32 және одан да көп болуы мүмкін (соңғы уақытта призманың орнына өте кішкентай айналар қолданылады, олар толқын ұзындығы бойынша 2D-жазбада (немесе 3D) қолданылады. Талшық материалын таза алу технологиясын құрастыру бірмодалы талшықтың өткізу жолағын 100 нм-ге дейін (1=1550 нм талшық үшін) кеңейтуге мүмкіндік берді. Бір арнаның жолағы 2-ден 0,2 нм-ге дейінгі диапазонда жатуы мүмкін. Бұл технология жақын арада ақпаратты тасымалдауды бір талшық арқылы 1-ден 10 Тбитс дейінгі жылдамдықта артуы мүмкін.
Сурет 1.12. Оптикалық талшықты толқын ұзындығы бойынша бөліп мультиплексірлеу
Сурет 1.13. Оптикалық талшықта толқын ұзындықтары бойынша көпарналы мультиплексірлеп бөлу сұлбасы. TE - терминалды құрылғы; L - лазер; MD - оптикалық мультиплексор-демультиплексор
Сурет 1.14. Оптикалық ақпараттық ағындарды қайта бағыттау сұлбасы (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)
Талап етілген бағдарлауды іске асыру үшін коммутациялық түйінде ағынның толқын ұзындығын ауыстыру керек. Бұл операцияның сұлбасы 1.1.13 суретте көрсетілген (а) OADM - (optical adddrop multiplexer), (b) OXC - (optical cross-connect) - оптикалық коммутауия, (c) OXC - толқын ұзындығы ауысымды.
Сурет 1.15. Оптикалық ақпараттық ағындарды толқын ұзындықтарының ауысымды және ауысымсыз қайта бағыттау сұлбасы (RINGrid-WP3-D3_1-JKU. State of the art in Networks and Grid Infrastructures. Contract no. 031891)
1.2. ФОТОГАЛЬВАНИКАЛЫҚ БАТАРЕЯЛАРДЫ ЗЕРТТЕУ
Оптоталшық арқылы электр қорегін жіберудің құрастырылған жүйесі инжекционды InGaAsPInP, оптоталшықты шығысы бар Фабри-Перо лазерінен, 1300 нм-лі толқын ұзындығынан және оптикалық сәулеленудің 1 Вт-қа дейінгі шығыс қуаты бар, толқын ұзындықтар бойынша бөлуі бар 13001550 екі қалыпты мультиплексордан, SMF-28e типті бір қалыпты оптоталшықтан және көпмодалы оптоталшықпен түйіскен p-i-n негізінде 2 мм-лі диаметрі бар InGaAsInP гетероқұрылымды фотогальваникалық батареядан тұрады. Жүйенің маңызды бөлігі болып оптикалық энергияны түрлендіргіш болып табылады (фотогальваникалық батарея). Тәжірибеде түрлендіргіштің екі түрі қолданылды және лазер - оптоталшық - фотогальваникалық батарея түрлендірулерінің сүлбасының екі әртүрлі нұсқасы жиналды. Бірінші нұсқада Фабри-Перо резонаторы бар лазер қолданылды, 285 қалыпты бірмодалы талшық Corning SMF-28e және кремнилі pin - фотодиод қолданылды.
Сурет 1.16. JDSU (АҚШ) фирмасының оптоталшық арқылы электрқорегін тасымалдау сұлбасы
Жүйе электрлік қуатты 300мВт-қа дейін және тиімділігі оптикалық қуатты электрлік қуатқа түрлендіру тиімділігі 40%-ке қамтамасыз етеді. Жүйенің тасымалданатын электрлік қуаты 1 км-ге дейін тиімділігі шектеулі және фотогальваникалық батареялар үшін сәулеленудің қуаты нашар болады, ал электрқһрегін 10 км-ден жоғары қашықтықта тасымалдау - рамановты шашырау жағдайында бәрмодалы оптоталшықтың оптикалық сәулеленуінің қуаты шектеулі болады.
1.3. Оптикалық талшық арқылы энергияны жібеудің спектралды тиімділігі
Оптоталшықты желілер байланыс саласындағы келешегі бар бағыттардың бірі болып табылады. Оптикалық арналардың мыс кабелдер негізіндегі ақпараттық желілерге қарағанда өткізгіштік қабілеттері жоғары болып келеді.
Оптикалық талшықтар үлкен арақашықтыққа үлкен ақпарат ағындарын жіберу үшін жетілдірілген орта болып табылады. Ол негізі екі кремний окисі құрайтын, ең көп таралған және арзан материалдан жасалатын кварцтан дайындалады. Оптикалық талшықтар өте шағын және жеңіл, олардың диаметрі 100 мкм шамасында болады.
Оптоталшықтар мысты байланыс жүйелерінде кейбір мәселелерді алып тастайтын электромагнитті өрістерге қарсы тұра алады. Оптикалық желілер сигналдарды төмен шығынмен үлкен қашықтыққа жібере алады. Осыған қарамастан бұл технология қымбат бағалы болып қала береді, оптикалық құрауыштары үнемі төмендеп тұрады, сол уақытта мыс желілердің мүмкіндіктері өзінің шектеулі мәндеріне жақындап келеді және бұл бағыттың ары қарай дамуына өте үлкен шығын талап етіп отыр.
Талшықты-оптикалық байланыс желілер тақырыбы қазіргі кезде маңызды, болашағы бар және қарастыру үшін қызықты болып отыр.
1. Құрылу тарихы
Талшықты оптика байланысты қамтамасыз ететін құрал ретінде танымал және кеңінен қолданылады, технологияның өзі қарапайым және құрылғанына көп уақыт болған. Айнымалы арқылы жарықтық шоғырлардың бағытын сыну жолы арқылы жасау тәжірибе жұмыстары 1840 жылы Даниал Колладон (Daniel Colladon) мен Жак Бабинет(Jacques Babinet) көрсеткен болатын. Бұл технологияны тәжірибе жүзінде ХХ ғасырда қолданыла бастаған болатын.
Өткен жүзжылдықтың 20-шы жылдары оптикалық түтік арқылы сурет жіберу мүмкіндіктері Кларенсом Хаснелл (Clarence Hasnell) және Джон Берд (John Berd) тәжірибешілері арқылы құрылған болатын.
1970-ші жылы Corning компаниясының мамандарымен ойлап табылған оптоталшықтар, опталшықтар технологиясының даму тарихындағы ең сәтсіз жағдайлардың бірі деп санауға болады. Құрастырушылар бір километр қашықтықта оптикалық сигналдың қуатын 1 пайыздан артық сақтап тұра алмайтын өткізгіш ойлап тапты.қазіргі өлшеулер бойынша бұл шағын жетістік болып табылады, ал 40 жыл бұрын бұл сымды байланыс жаңа түрін құру үшін керекті шарттардың бірі болып саналған.
80-ші жылдары FDDI стандартының пайда болуымен байланысты кең ауқымды тәжірибелері жасалды. Бұл бірінші кездегі желілер қазірге дейін жұмыс істеп келе жатыр.
90-шы жылдары талшықты оптиканың арзан жиынтықтарының өндірісіне байланысты жаппай қолданысқа ие болды. Талшықты-оптикалық желілердің өсу қарқыны жарылғыш сипатқа ие.
00-ші жылдары ақпаратты тасымалдау жылдамдығының өсуі, толқындық тығыздау технологиясының пайда болуы (WDM, DWDM) Талшықтардың жаңа түрлері.
1.4.Оптикалық талшықтар және оның түрлері және
талшықты-оптикалық байланыс желілері түсініктері.
Талшықты-оптикалық байланыс желілері (ТОБЖ) - бұл оптикалық талшық ретінде танымал, оптикалық диэлектрлік толқын арнасы арқылы ақпарат жіберілетін тасымалдаушы жүйе болып табылады. Сонымен бұл не?
Оптикалық талшық - желі (core) деп аталатын, өте жұқа шынылы цилиндр, шыны қабатымен жабылған (1-ші сурет), сыну коэффициенті желіге қарағанда басқа қабықшаны айтамыз. Талшық осы облыстағы диаметрлермен сипатталады, мысалы, 50125 мағынасы, талшықтың өзегінің диаметрі 50 мкм және сыртқы қабықшасының диаметрі 125 мкм дегенді білдіреді.
Оптоталшықтың құрылымы
Жарық талшықтың өзегі бойынша, қабықшасы мен өзек арасындағы шекарада тізбектелген толық ішкі шағылуының есебінен таралады; оның іс-әрекеті түтікке келіп түскенде, қабаты айнамен жабылған қабырғаларына ұқсайды. Алайда кәдімгі қарапайым айналарға қарағанда, тиімді болып саналмайтын шағылуы, толықтай ішкі шағылуға құрылымы бойынша идеалды түріне жақын болып келеді. Олардың төмен шығынсыз үлкен қашықтыққа талшық бойымен жарықты таратуға мүмкіндік беруі ең маңызды ерекшеліктерінің бірі болып табылады.
Мұндай үлгіде (2-ші сурет) жасалған талшықтар, сыну көрсеткішінің сатылы көрінісі бар талшық және көпмодалы деп аталады. Жарық сәулесінің таралуы үшін көптеген амалдар немесе модалар қарастырылған.
Мұндай көптеген модалар импульстің дисперсиясына алып келеді, және әрбір мода талшық бойында әртүрлі жолдармен өтеді, сол себепті әртүрлі модалар бір талшықтан екіншісіне өту кезінде іртүрлі кідірістерге ұшырайды. Бұл құбылыстың нәтижесі - берілген талшықтың толқын ұзындығында тиімді түрде жібере алатын максималды жиіліктерді шектейді, жиілігін немесе талшық ұзындықтарын үлкейту, импульстерінің бір-біріне бірігіп кетуіне алып келеді және оларды кейін ажырату мүмкін болмай қалады. Қарапайым көпмодалы талшықтар үшін бұл шек шамамен 15 МГцкм-ге тең, мысалы, бейнесигналды 5МГц жолағында максималды 3 км қашықтыққа жібере аламыз дегенді білдіреді (5 МГц х 3 км = 15 МГц км). Сигналдарды аса үлкен қашықтыққа жіберіп көретін болсақ, онда ол үлкен жиілікті шығындарға алып келеді.
Бұл сандарды қолдану кейбіреулеріне өте үлкен, және өте кең өткізу жолағы бар талшықты құрастыру жұмыстары басталды. Бір амалдарының бірі - өте кішкентай мәндерге талшық диаметрін кішірейту болды (8-9 мкм), сол үшін бір ғана талшық мүмкін болып отыр. Бірмодалы деп атайтын талшықтар (2-ші сурет (b))дисперсияны айтарлықтай төмендетеді, және нәтижелік жолақ ГГцкм жағдайында оларды ортақ қолданыстағы (РТТ) телефондық және телеграфтық желілер үшін және телевизияның кабелдік желілері үшін идеалды етеді. Өкінішке орай, өте кішкентай диаметрлі талшықтар өте қуатты, прецизионды біріктірілген, сол себепті, лазерлі диодтағы қымбат тұратын сәулелендіргіш жобаланған желілердің тартылыс күшімен төмен байланысқан және ол қолданыс аясын азайтады.
Идеалды жағдайда бірмодалы талшықтардағы өткізу жолағы сияқты талшықтар талап етіледі, бірақ диаметрі бойынша светодиодтарда арзан таратқыштарды қолдану мүмкін болатындай көпмодалыларға ұқсайды. Кейбір жағдайларда бұл талаптарды сыну көрсеткішінің градиентті өзгеріс болатын көпмодалы талшықтар қанағаттандыра алады ((3-ші сур.(с)). Ол жоғарыда айтылып кеткен сыну көрсеткіші сатылы өзгеріске ұщырайтын көпмодалы талшықты еске салады, бірақ оның өзегінің сыну көрсеткіші біртекті емес, ол орталығында максималды мәннен перифериясындағы төмен мәнге дейін өзгереді. Бұл екі жағдайға әкеледі. Біріншісі - жарық жеңіл майысып жатқан жол бойынша таралады, екіншісі - ең маңыздысы - әртүрлі модаларда таралу кезіндегі кідірістерінде айырмашылықтар аз болады. Бұл талшыққа үлкен бұрышпен кіріп тұратын және үлкен жолға келіп түсетін модалар, орталық бөлігінде бір-бірінен алшақтайды, ол жерде сыну көрсеткіші төмендейді, және талшықтың осіне жақын қалатын төмен ретті модалар үлкен сыну көрсеткіші бар облыста жылдам қозғалады. Жылдамдығын арттыру үлкен өткізкіштік қасиетін арттырады.
Градиентті сыну көрсеткіші бар көпмодалы талшықтар идеалды деп саналмайды, бірақ жақсы өткізу жолағын қамтамасыз етеді. Тәжірибеде бұл өткізу жолағы үлкен назар аударылатындай параметр болып табылмайды.
Бірақ сөну үшін бұл ондай емес. Оптикалық сигнал барлық талшықтарда жарық көздерін таратқыштарда толқын ұзындықтарынан тәуелді жылдамдықпен сөнеді (3-шу сурет). жоғарыда айтылып кеткендей, оптикалық талшықтардың сөнуінің үш толқын ұзындығы бар, - 850, 1310, және 1550 нм. Олар мөлдір айна ретінде белгілі. Көпмодалы талшықтар үшін 850 нм толқын ұзындықтарында - бірінші және жиі қолданысқа ие. Бұл толқын ұзындығында сапалы градиентті көпмодалы талшық 3 дБкм ретті сөнуді көрсетеді. Ол 3 км жоғары арақашықта тұйықталған ТВ жүйесінде байланыстың іске асырылуына мүмкіндік береді.
1310 нм толқын ұзындығында да тура сол жағдай, талшық пропорционалды түрде байланыс арақашықтығын 12 км-ге дейін үлкейте отырып, сөну коэффициентінің өте төмен 0,7 дБкм көрсеткішін көрсетеді. 1310 нм - ол бірмодалы оптоталшықты жүйелер үшін бірінші жұмыс терезесі болып табылады, сонымен қоса сөну көрсеткіштері 0,5 дБкм шамасында, лазерлі диодтардың таратқыштарымен үйлесе отырып 50 км арақашықтықта байланыс желілерін құруға мүмкіндік береді. Мөлдір екінші терезеге - 1550 нм жатады, өте ұзын байланыс желілерін құруда қолданылады (талшықтың сөнуі 0,2 дБкм шамасында).
1.5. Оптоталшықты кабелдер классификациясы
Оптоалшықты кабелдер ұзақ уақыт бойы белгілі, оны Ethernet стандарттары 10 Мбитс өткізу жолағы үшін көптеген уақыт бойы қолдап келді. Олардың ең алғашқылары FOIRL (Fiber-Optic Inter-Repeater Link) деген атқа ие болды, ал кейінгілері - 10BaseF болды.
Қазіргі кезде әлемде әртүрлі мақсаттағы оптикалық кабелдерді өндеретін бірнеше ондаған фирмалар бар. Олардың ішіндегі ең танымалдары: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli (Италия).
Оптоталшықты кабелдерді анықтайтын параметрлер пайдалану шарттары және байланыс желісінің өткізгіш қабілеттері. Кабелдерді пайдалану шарттары бойынша екі негізгі топқа бөледі (4-ші сурет).
Ішкі объективтілер ғимараттардың ішінде және құрылыстарда салу үшін арналған. Олар шағын, жеңіл, согағ сәйкес аздаған құрылыс ұзындығына ие.
Магситралды жүйелер кабелді коммуникациялар орындарында, су астында, топырақта, ЛЭП айналасында тіреуіштерінде төсеу үшін арналған. Бұл кабелдер сыртқы әсерлерден қорғанысқа ие және екі километрден асатын құрылыс ұзындығына ие.
Байланыс желісін үлкен өткізу қабілеттілігімен қамтамасыз ету үшін төменгі сөну коэффициентіне ие, бірмодалы талшықтардың бірнешеуінен тұратын (8-ге дейін) оптоталшықты кабелдер өндіріліп жатыр, ал таратып тұратын желілер үшін бірмодалылар және желі сегменттерінің арасындағы қашықтығына тәуелді көпмодалылар сияқты 144-ке дейін талшықтармен қамтамасыз ете алады.
Көптеген қолданыс аясында талшықты оптика көптеген артықшылықтарға ие.
Тасымалдау кезінде төмен шығын. Төмен шығынды талшықты-оптикалық кабелдер сурет сигналдарын үлкен қашықтыққа бағдарлаушы күшейткіштерінсіз немесе репитерсіз тасымалдауға мүмкіндік береді. Бұл әсіресе алыс қашықтыққа тасымалдау сұлбаларын жіберуде ыңғайлы, мысалы, жиі кездесетін 20 км-лі аумақтарда, автожолдар мен теміржолдарды бақылау жүйелерінде қолданылады.
Сигналды кеңжолақты тасымалдау. Оптикалық талшықтың кең жолақты тасымалдауы бір уақытта бір талшықты-оптиклалық кабель арқылы жоғары сапалы бейне, дыбыс және сандық мәліметтер жіберуге мүмкіндік береді.
Кедергілерге қарсы тұра алушылық. Оптоталшықты кабелдердің сыртқы электрлік кедергілерді сезбеушілік және тарту жұмыстары жұйенің жұмысын құрастырушылар жақын орналасқан қорек желілерінің жақын орналасуын ескермесе де тұрақты қамтамасыз етеді.
Электрлі оқшаулау. Оптоталшықты кабелдердің электр өткізгіштігінің болмауы жер шамасының өзгеруімен байланысты мәселелер, мысалы, электр станциялары үшін немесе темір жолдар үшін болмайды. Олардың бұл қасиеті сел және т.б. болатын ток ұру қауіптерінен болатын, құрылғының зақымдану қаупін алшақтатады.
Жеңіл және шағын кабелдер. Оптикалық талшықтардың және оптоталшықты кабелдердің кішкентай көлемдері лық толған кабелді каналдарды екінші рет сақтап қалуға мүмкіндік береді. Мысалы, коаксиалды кабель 24 оптикалық кабель орнындай орын алады, олардың әрқайсысы шамамен бір уақытта 64 бейнеарна және 128 аудио немесе бейнесигнал жібере алады.
Ескірмеген байланыс желілері. Кабелдердің емес, шеткі құрылғыларының қарапайым орын ауыстырғыштарын, талшықты-оптикалық желілерді ақпаратты үлкен көлемді түрде жіберу үшін жетілдіруге болады. Басқа жағынан қарағанда, желінің өзін немесе бір бөлігін мүлдем басқа мақсаттар үшін қолдануға болады, мысалы, бір кабелде жергілікті есептегіш желіні және тұйықталған ТВ жүйесін біріктіруге болады.
Жарылғыш және өрт қауіпсіздігі. Ұшқындалу қасиетінің жоқтығынан оптикалық талшықтар химиялық, мұнай қорытушы орындарда, қаупі жоғары технологиялық процестерге қызмет көрсету кезінде желінің қауіпсіздігін арттырады.
ТОБЖ-нің үнемділігі. Талшық мыстан бөлек кең таларған, қысбат емес материалдан жасалған, негізін кремний екі окисі құрайтын кварцтан дайындалған.
Пайдаланудың ұзақ мезгілі. Уақыт өте келе талшық нашарлай бастайды. Бұл пайдаланып отыған кабелдегі сөну жай өсе бастайды. Аладйа, қазіргі таңда оптикалық талшықтардың қазіргі таңдағы өндіру технологиялары арқасында бұл процесс баяулатылған, және талшықты-оптикалық кабельдердің қызмет ету мерзімі шамамен 25 жыл. Осы уақыт ішінде қабылдап-таратқыш жүйелерінің бірнеше стандарттарына ауысуы мүмкін.
1.6. Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің кемшіліктері
Құрастырудың үлкен қиыншылықтары. Кызметкерлердің біліктілігінің жоғарлылығы мен арнайы құралдар. Сол себепті опоталшықты кабельдер алдын ала әртүрлі ұзындықта кесілген түрінде сатылады. Екі ұшында керекті түрде жалғағыштар орнатылған. Оптоталшықты кабельдерді пайдалану жарық сигналдарын арнайы электрлікке және кері түрлендіретін оптикалық қабылдағыштар мен таратқыштарды талап етеді.
Оптоталшықты кабельдер электрліктерге қарағанда мықты емес және майысқақ. Қарапайым майысу радиусы шамамен 10-20 см-ды құрайды, ал одан майысу радиусы аз болса, онда орталық талшық үзілуі мүмкін.
Опталшықты кабель шыныталшықтың мөлдірлігі төмендететін иондаушы сәулеленулерге сезімтал, болып келеді, яғни сигналдың сөнуі арта түседі.
ТОБЖ электронды құраушылары. Ақпаратты жіберу қағидалары
Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінде ақпаратты жіберу қағидаларын жалпы түрде көмегімен анықтауға болады.
Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінде ақпаратты жіберу қағидалары
1.7. Талшықты оптика үшін таратқыштар
Талшықты-оптикалық таратқыштардың маңызды қағидалары болып жарық көзі болып табылады (әдетте жартылайөткізгішті лазер немесе светодиод (6-шы сурет)). Екеуі де бірдей мақсатта қолданылады, үлкен жиілікте модуляциялай алатын (қарқындылығы жағынан өзгерту) және үлкен ПӘК-пен талшыққа кіргізе алатын жарық шоқтарының микроскопиялық генерациясы үшін қолданылады. Лазерлер светодиодтарға қарағанда шоқтың жоғары қарқындылығын қамтамасыз ете алады, және модуляцияның үлкен жиілігін жібере алады; сол себепті олар тартылысы өте үлкен кеңжолақты желілер үшін қолданылады, мысалы, телекоммуникация және кабельді телевизия. Басқа жағынан қарағанда, светодиодтар - өте арзан және мықты құрылғы болып табылады, және кіші және үлкен тартылысты жүйелердің көптеген түріне тура келеді.
Функционалды қызметінен басқа (яғни ол қандай сигнал жіберу керек деген), талшықты-оптикалық таратқыш лның қасиеттерін анықтайтын екі маңызды параметрлермен сипатталады. Біріншісі - оның оптикалық сәулеленуінің шығыс қуаты (қарқындылығы). Екіншісі - түсіріліп жатқан жарықтың толқын ұзындығы. Әдетте ол 850, 1310 немесе 1550 нм болады, бұл мәндер оптикалық талшықтың материалнының өткізу сипаттамаларында мөлдір терезелерге сәйкес шарттардан алынған мәндер болатын.
Талшықты оптика үшін қабылдағыштар
Талшықты оптиканың қабылдағыштар өте маңызды қызмет атқарады - талшықтың бір бөлігінен түсіріліп жатқан нашар оптикалық сәулеленуді детектірлеу және алынған электрлік сигналды бұрмаланусыз және шуылсыз керекті дәрежеде күшейту. Қабылдағышқа қойылатын шығыс сигналдың керекті сапамен қамтамасыз ету үшін сәулеленудің ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz