Спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың құрылысын есептеу туралы
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ТАЛШЫҚТЫ.ОПТИКАЛЫҚ БАЙЛАНЫС ЖҮЙЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
1.1 Талшықты.оптикалық байланыс жүйелерінің дамуы және жетістіктері ... ...7
1.2 Спектралды тығыздайтын талшықты.оптикалық ақпараттық.өлшеу жүйелерінің құрылуына талаптар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11
1.3 Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары . мультиплексорлар мен демультиплексорлар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..15
1.4 Талшықты.оптикалық жіберу жүйелерінің өткізу қабілетіне талаптардың өсуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...23
1.5 WDM жүйелерінің негіздері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24
1.6 Фабри.Перо интерферометрі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...25
1.7 Маха.Цендер фильтрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...27
1.8 Брэгг торлары мен Брэггтің талшықты.оптикалық торлары ... ... ... ... ... 28
1.8.1 FBG.дің кейбір сипаттамалық қолданулары ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30
1.8.1.1 FBG.дің бірегей фильтрлеуші қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...30
1.8.1.2 Толқындық сипаттаманы түзеткіш фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... .31
1.8.1.3 FBG.ді хроматикалық дисперсияны өтеу үшін қолдану ... ... ... ... ... .31
1.9 Жұқа қабықша негізіндегі фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32
1.10 Толқын арналары массивіндегі дифракциялық тор негізіндегі мультиплексордың жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..33
1.11 Оптоталшықты бағытталған тармақтаушыларды қолданатын технология
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35
1.12 Оптикалық енгізу/шығару мультиплексоры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...36
1.13 WDM жүйелерінде қолданылатын толқын ұзындықтарын тағайындау бойынша ITU.T ұсыныстары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...37
1.13.1 WDM жүйелерінің минималды қадамы мен жиіліктік жоспардағы стандартты тасушыларды таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..39
1.14 WDM жүйелерінің типтік сипаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .40
2 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ОПТИКАЛЫҚ МУЛЬТИПЛЕКСОРДЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫН ЕСЕПТЕУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.1 DWDM және CWDM технологияларын салыстыру ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.2 Спектралды тығыздайтын мультиплексор құрылысын есептеу ... ... ... ... 42
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 64
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
1 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ТАЛШЫҚТЫ.ОПТИКАЛЫҚ БАЙЛАНЫС ЖҮЙЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
1.1 Талшықты.оптикалық байланыс жүйелерінің дамуы және жетістіктері ... ...7
1.2 Спектралды тығыздайтын талшықты.оптикалық ақпараттық.өлшеу жүйелерінің құрылуына талаптар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11
1.3 Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары . мультиплексорлар мен демультиплексорлар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..15
1.4 Талшықты.оптикалық жіберу жүйелерінің өткізу қабілетіне талаптардың өсуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...23
1.5 WDM жүйелерінің негіздері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24
1.6 Фабри.Перо интерферометрі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...25
1.7 Маха.Цендер фильтрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...27
1.8 Брэгг торлары мен Брэггтің талшықты.оптикалық торлары ... ... ... ... ... 28
1.8.1 FBG.дің кейбір сипаттамалық қолданулары ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30
1.8.1.1 FBG.дің бірегей фильтрлеуші қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...30
1.8.1.2 Толқындық сипаттаманы түзеткіш фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... .31
1.8.1.3 FBG.ді хроматикалық дисперсияны өтеу үшін қолдану ... ... ... ... ... .31
1.9 Жұқа қабықша негізіндегі фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32
1.10 Толқын арналары массивіндегі дифракциялық тор негізіндегі мультиплексордың жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..33
1.11 Оптоталшықты бағытталған тармақтаушыларды қолданатын технология
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 35
1.12 Оптикалық енгізу/шығару мультиплексоры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...36
1.13 WDM жүйелерінде қолданылатын толқын ұзындықтарын тағайындау бойынша ITU.T ұсыныстары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...37
1.13.1 WDM жүйелерінің минималды қадамы мен жиіліктік жоспардағы стандартты тасушыларды таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..39
1.14 WDM жүйелерінің типтік сипаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .40
2 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ОПТИКАЛЫҚ МУЛЬТИПЛЕКСОРДЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫН ЕСЕПТЕУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.1 DWDM және CWDM технологияларын салыстыру ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.2 Спектралды тығыздайтын мультиплексор құрылысын есептеу ... ... ... ... 42
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 64
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
Қазіргі уақытта байланыс жүйелері қоғамның дамуының негіздерінің бірі болды. Ақпараттық-өлшеу жүйелерінің дамуының ендігі бағыттарының бірі ақпаратты жіберу/қабылдау үшін оптикалық талшықты қолданумен байланысты. Сонымен бірге оптикалық талшық және соның негізіндегі техниканың электрлік кабельдер негізіндегі жүйелермен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары бар. Солардың негізгілеріне жоғары ақпараттық-өткізгіштік қасиет, кеңжолақтылық және кедергіге тұрақтылық жатады. Соңғы кезде талшықты-оптикалық техника базасы негізіндегі ақпараттық-өлшеу жүйелерінің қарқынды дамуы бақылануда [1]. Байланыс каналдaрының өткізу қабілетінің өсуі ең батыл болжамдардың өзін анағұрлым асып түсті (сурет 1).
Бұл заманауи байланыс желілеріне және олардың өткізу қабілетіне жаңа талаптар ұсынады. Ақпаратты жіберудің талшықты-оптикалық жүйелерін құруда сәйкес толқын ұзындықтары бар оптикалық сәулеленудің ағындарын бір оптикалық талшық арқылы жалғастыра жіберу үшін немесе сәйкес оптикалық талшықтарға бөлу үшін біріктіру және бөлу мәселелері жиі туады. Бұрын арналған байланыс каналдарына жеке талшықтың үлкен өткізу жолағын бөлу үшін уақыттық мультиплекстеу қолданылған [2]. Алайда модуляциялау мен мультиплекстеу үшін арналған құрылғылардың күрделенуі деректерді жіберу жылдамдықтарын арттырғанда осы технологияның қолданылуын шектеді. Өткізу жолағын ары қарай арттыруды альтернативтік тәсіл қамтамасыз ете алды – толқын ұзындығы бойынша бөліп мультиплекстеу немесе спектралды мультиплекстеу. Мәселелердің бірі – жылжымалы объектілердің: құрлықтағы транспорттық құралдардың, аэрокосмостық аппараттардың, теңіздік су асты және су беті кемелердің ақпараттық-өлшеу жүйелерінің құрамындағы аппараттардың жұмыс істеу шарттарына тән сыртқы әсер етуші факторларға тұрақты, сенімді мультиплексор/демультиплексорларды жасау.
Жұмыстың мақсаты – спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың құрылысын есептеу.
Бұл заманауи байланыс желілеріне және олардың өткізу қабілетіне жаңа талаптар ұсынады. Ақпаратты жіберудің талшықты-оптикалық жүйелерін құруда сәйкес толқын ұзындықтары бар оптикалық сәулеленудің ағындарын бір оптикалық талшық арқылы жалғастыра жіберу үшін немесе сәйкес оптикалық талшықтарға бөлу үшін біріктіру және бөлу мәселелері жиі туады. Бұрын арналған байланыс каналдарына жеке талшықтың үлкен өткізу жолағын бөлу үшін уақыттық мультиплекстеу қолданылған [2]. Алайда модуляциялау мен мультиплекстеу үшін арналған құрылғылардың күрделенуі деректерді жіберу жылдамдықтарын арттырғанда осы технологияның қолданылуын шектеді. Өткізу жолағын ары қарай арттыруды альтернативтік тәсіл қамтамасыз ете алды – толқын ұзындығы бойынша бөліп мультиплекстеу немесе спектралды мультиплекстеу. Мәселелердің бірі – жылжымалы объектілердің: құрлықтағы транспорттық құралдардың, аэрокосмостық аппараттардың, теңіздік су асты және су беті кемелердің ақпараттық-өлшеу жүйелерінің құрамындағы аппараттардың жұмыс істеу шарттарына тән сыртқы әсер етуші факторларға тұрақты, сенімді мультиплексор/демультиплексорларды жасау.
Жұмыстың мақсаты – спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың құрылысын есептеу.
ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
ФИЗИКА-ТЕХНИКАЛЫҚ ФАКУЛЬТЕТ
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың құрылысын есептеу
Орындаушы _____________ Айткабылова А.Р. "_____"__________2015 ж.
Ғылыми жетекші
ф.-м.ғ.к., доцент ____________Сванбаев Е.А. "_____" ___________2015
ж.
Қорғауға жіберілді:
Кафедра меңгерушісі
ф.-м.ғ.д., профессор _________Приходько О.Ю. "______" __________2015 ж.
Алматы, 2015
РЕФЕРАТ
Дипломдық жұмыс 60 беттен, 23 суреттен, 1 кестеден, 15 әдебиет
көздерінен тұрады.
Бұл жұмыстың мақсаты: кремний фотодиодының спектралдық қасиетін
анықтау.
Фотодиод көп күрделi оптоэлектронды құрылғыларда құрама элемент болып
табылады, сондықтан ол көп қолданысқа ие болып отыр. Фотодиод жоғары әрі
жылдам әрекеттiлікке ие бола алады, бiрақ фототоктың күшейту коэффициенті
бiрлік шамадан аспайды. Оптоэлектронды интегралдық микросұлбаларының бар
болуының арқасында оптикалық байланыс маңызды қасиеттерге ие болады. Күштi
функционалдық байланыс олардың арасындағы басқарушы шынжырлардың
гальваникалық шешiлуін сақтауға үлесін қосып отыр.
Кремний фотодиоды – ақпараттың визуальды бейнесінің
сәулелендіргіштері мен индикаторларының параметрлерін тексеру аспаптардағы
және информациялық өлшегіштер жүйесіндегі ең қолайлы фотоқабылдағыштары
болып табылады. Құрылғы фотометриялық параметрлерді өлшеуге арналғандықтан,
онда фотоэлектрлік түрлендіргіштер орташа адам көзінің сезгіштігіне
жақындайтын спектрлік сипаттамаға ие болуы керек. Фотодиодтардың
спектральді сезгіштігіне коррекция үшін түрлендіргіштің құрамына жарық
фильтрлер қосылады.
ГЛОССАРИЙ
Байланыс жүйесі – жиынтық импульстерін, үндік сигналдарды және
пернетақта белгілерін анықтап, сондай-ақ жүйе шегіндегі және жүйеден тыс
қажетті аралық қосылыстарды қамтамасыз ететін, бағдарламамен басқарылатын
процессорлы комплекс.
Мультиплексор – бірнеше тасушы толқын ұзындықтарын біріктіретін
құрылғы.
Демультиплексор – біріккен ағыннан жеке толқын ұзындықтарын бөлетін
құрылғы.
Фотокедергі - өткізгіштігі жарықтың әсеріне байланысты өзгеретін
жартылайөткізгіштік құрал.
Болометр – сәулеленудің селекті емес жылулық қабылдағыш, шағылу
кезіндегі электрлік кедергінің өзгеруіне негізделген.
Микрофотометр – пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құрал.
Оптрондар – бір корпусқа орнатылған осы немесе басқа оптикалық
байланыстағы сәулелену көзі және қабылдағышы бар оптоэлектрондық прибор.
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН БЕЛГІЛЕУЛЕР
ТОБЖ – тaлшықты-оптикaлық бaйлaныс жүйелері;
WDM (Wavelength Division Multiplexing) – толқын ұзындықтары бойыншa
спектрaлды тығыздау технологиясы;
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – жиі спектрaлды
тығыздaу технологиясы;
λ – толқын ұзындығы;
ОЭО – опто-электро-оптикaлық;
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – эрбиймен легірленген тaлшық
негізіндегі тaлшықты күшейткіш;
МКШ – мәжбүрлі комбинaциялық шaшырау;
RFA – мәжбүрлі комбинациялық шашырау эффекті негізіндегі тaлшықты
күшейткіш;
ОК – оптикалық күшейткіш;
АӨЖ – aқпaрaттық-өлшеу жүйелері;
ИҚ – инфрaқызыл;
V – толқын aрнaсының пaрaметрі;
Dc – тaлшықтың өзегінің диaметрі;
nc – тaлшықтың өзегінің сыну көрсеткіші;
n0 – тaлшықтың қaбықшaсының сыну көрсеткіші;
M – модaлaр сaны;
– кaнaлдaғы оптикaлық шығындар;
– кaнaлдaғы тоғыспaлы кедергілер;
λ0 – вaкуумдағы жарық ұзындығы;
nэфф – эффективті сыну көрсеткіші;
β – модaның тaлшықты световодтa тұрaқты тaрaуы;
Ʌ - период;
ТОЖЖ – талшықты-оптикалық жіберу жүйелері;
ТОК – талшықты-оптикалық кабель;
Ф-П – Фабри-Перо интерферометрі;
М-Ц – Маха-Цендер фильтрі;
FBG (Fiber Bragg grating) – Брэггтің талшықты торы;
OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) – енгізу-шығару оптикалық
мультиплексоры;
AWG (Additive Waveguide Grating) – толқын арналары массиві
негізіндегі дифракциялық тор;
АТС – амплитудалы-толқындық сипаттама;
ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication) –
электрлі байланыстың халықаралық одағының электрлі байланысты стандарттау
секторы;
τm – Маха-Цендер интерферометрінің екі тармағының арасындағы
салыстырмалы кідіріс;
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – “өрескел”
спектралды тығыздау технологиясы.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ТАЛШЫҚТЫ-ОПТИКАЛЫҚ БАЙЛАНЫС
ЖҮЙЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
1.1 Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің дамуы және жетістіктері ... ...7
1.2 Спектралды тығыздайтын талшықты-оптикалық ақпараттық-өлшеу жүйелерінің
құрылуына талаптар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11
1.3 Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары – мультиплексорлар мен
демультиплексорлар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...15
1.4 Талшықты-оптикалық жіберу жүйелерінің өткізу қабілетіне талаптардың
өсуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ..23
1.5 WDM жүйелерінің негіздері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24
1.6 Фабри-Перо интерферометрі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
1.7 Маха-Цендер фильтрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...27
1.8 Брэгг торлары мен Брэггтің талшықты-оптикалық торлары ... ... ... ... ... 28
1.8.1 FBG-дің кейбір сипаттамалық қолданулары ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30
1.8.1.1 FBG-дің бірегей фильтрлеуші қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...30
1.8.1.2 Толқындық сипаттаманы түзеткіш фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... .31
1.8.1.3 FBG-ді хроматикалық дисперсияны өтеу үшін қолдану ... ... ... ... ... .31
1.9 Жұқа қабықша негізіндегі фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32
1.10 Толқын арналары массивіндегі дифракциялық тор негізіндегі
мультиплексордың жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..33
1.11 Оптоталшықты бағытталған тармақтаушыларды қолданатын технология
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3 5
1.12 Оптикалық енгізушығару мультиплексоры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...36
1.13 WDM жүйелерінде қолданылатын толқын ұзындықтарын тағайындау бойынша
ITU-T ұсыныстары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...37
1.13.1 WDM жүйелерінің минималды қадамы мен жиіліктік жоспардағы стандартты
тасушыларды таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..39
1.14 WDM жүйелерінің типтік сипаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .40
2 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ОПТИКАЛЫҚ МУЛЬТИПЛЕКСОРДЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫН
ЕСЕПТЕУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.1 DWDM және CWDM технологияларын салыстыру ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.2 Спектралды тығыздайтын мультиплексор құрылысын есептеу ... ... ... ... 42
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 64
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
КІРІСПЕ
Қазіргі уақытта байланыс жүйелері қоғамның дамуының негіздерінің бірі
болды. Ақпараттық-өлшеу жүйелерінің дамуының ендігі бағыттарының бірі
ақпаратты жіберуқабылдау үшін оптикалық талшықты қолданумен байланысты.
Сонымен бірге оптикалық талшық және соның негізіндегі техниканың электрлік
кабельдер негізіндегі жүйелермен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары бар.
Солардың негізгілеріне жоғары ақпараттық-өткізгіштік қасиет, кеңжолақтылық
және кедергіге тұрақтылық жатады. Соңғы кезде талшықты-оптикалық техника
базасы негізіндегі ақпараттық-өлшеу жүйелерінің қарқынды дамуы бақылануда
[1]. Байланыс каналдaрының өткізу қабілетінің өсуі ең батыл болжамдардың
өзін анағұрлым асып түсті (сурет 1).
Сурет 1. Желілерде жіберу жылдамдығының соңғы он жылдықта өсуі және
байланыс жүйелерінің салыстырмалы ақпараттық сыйымдылығының соңғы 100 жыл
ішінде өзгеруі
Бұл заманауи байланыс желілеріне және олардың өткізу қабілетіне жаңа
талаптар ұсынады. Ақпаратты жіберудің талшықты-оптикалық жүйелерін құруда
сәйкес толқын ұзындықтары бар оптикалық сәулеленудің ағындарын бір
оптикалық талшық арқылы жалғастыра жіберу үшін немесе сәйкес оптикалық
талшықтарға бөлу үшін біріктіру және бөлу мәселелері жиі туады. Бұрын
арналған байланыс каналдарына жеке талшықтың үлкен өткізу жолағын бөлу үшін
уақыттық мультиплекстеу қолданылған [2]. Алайда модуляциялау мен
мультиплекстеу үшін арналған құрылғылардың күрделенуі деректерді жіберу
жылдамдықтарын арттырғанда осы технологияның қолданылуын шектеді. Өткізу
жолағын ары қарай арттыруды альтернативтік тәсіл қамтамасыз ете алды –
толқын ұзындығы бойынша бөліп мультиплекстеу немесе спектралды
мультиплекстеу. Мәселелердің бірі – жылжымалы объектілердің: құрлықтағы
транспорттық құралдардың, аэрокосмостық аппараттардың, теңіздік су асты
және су беті кемелердің ақпараттық-өлшеу жүйелерінің құрамындағы
аппараттардың жұмыс істеу шарттарына тән сыртқы әсер етуші факторларға
тұрақты, сенімді мультиплексордемультиплексорларды жасау.
Жұмыстың мақсаты – спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың
құрылысын есептеу.
СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ТАЛШЫҚТЫ-ОПТИКАЛЫҚ БАЙЛАНЫС ЖҮЙЕЛЕРІ
1.1 Тaлшықты-оптикaлық бaйлaныс жүйелерінің дaмуы және жетістіктері
Біздің ғaлaмшaрымыздың бaрлық құрлықтaры бүгінгі уaқыттa су aсты
тaлшықты-оптикaлық бaйлaныс желілерімен қосылғaн. 2010 жылы жүргізілген
тaлшықты световодтaрдың жалпы ұзындығы, трaнсaтлaнтикaлық және
трaнстынықмұхиттық су aсты жүйелерін қосa есептегенде, 1 млрд. км-ге жетті.
Дaмығaн елдерде қaзір мұндай световод әрбір үйге жүргізіледі және ол
Ғaлaмтор көмегімен кеңжолақты aқпaрaтқa қол жеткізуді қaмтaмaсыз етеді.
Бaғaлaулaр бойынша, Ғaлaмдық торды пaйдaлaнушылaр сaны 2015 жылы 5 млрд.-қa
жетеді. Aйтпaқшы, оның өзі тaлшықты-оптикaлық бaйлaныстың дaмуы нәтижесінде
пaйдa болды.
Көрсетілген жүйелерді құрудa көрнекті нәтижелерге кең фундaментaлды
және қолдaнбaлы зерттеулер, лaзерлі сәулелену көздерінің технологиялық
зерттемелері, тaлшықты световодтaр және бaсқa элементтік бaзa нәтижесінде
қол жетті. Осы зерттеулерде әлемнің көптеген елдерінің ғылыми ортaлықтары
мен фирмaлaрының үлкен сaны қaтысты. Ол турaлы “J. of Lightwave Technology”
(AҚШ) журнaлының 2008 жылғы aрнaйы шығaрылымындa толық aйтылғaн. Бұл
зерттеулерді жүргізуде зор aқпaрaттық-үйлестіруші рөлді тaлшықты-оптикaлық
бaйлaныс бойыншa әрдaйым болaтын хaлықaрaлық конференциялaр ойнaды.
Солaрдың екеуін ерекше aтaп өткен жөн: AҚШ-тa жыл сaйын өткізілетін Optical
Fiber Communication және сондaй уaқыт периодымен өткізілетін European
Conference on Optical Communication.
Жaқын aрaдa болғaн тaрихтың беттеріне көз жүгіртіп, зaмaнaуи жоғaры
жылдaмдықты aқпaрaтты жіберу жүйелерінің дaму жолдaрын aнықтaғaн бірнеше
нәтижелерді келтірейік. Бұл, ең алдымен, оптикaдaғы екі көрнекті жетістік –
лaзерлердің жaсaлуы (1960 ж.) және aйтaрлықтaй aз оптикaлық шығындaры бaр
шыны тaлшықты световодтaрдың жaсaлуы (1970 ж.). 1970 жылы AҚШ пен КСРО-дa
(2000 ж. нобель сыйлығының лaуреaты Жорес Aлфердің лaборaториясы) бөлме
темперaтурaсындa қос гетероқұрылымның GaAlAs негізінде жaсaлғaн
шaлaөткізгіш лaзердің үздіксіз генерaциясының aлынуы ТОБЖ-і үшін шaғын және
эффективті сәулелену көзінің пaйдa болуын білдірді. Осы мaқсaттaрдa бірінші
қолдaнылғaн лaзерлер (1980 ж.) 0,85 мкм толқын ұзындығындa жұмыс істеді, aл
бірінші коммерциялық жүйелерде aқпaрaтты жіберу жылдaмдығы өте қaрaпaйым
сaнды 45 Мбитс-ты құрaды. Жіберуші ортa ретінде модaaралық дисперсиясы
aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын шектеген көпмодaлы тaлшықты световод
(сәулеленуді тербелістердің көптеген типтері түрінде жіберетін) қызмет
еткен. Көпмодaлы световодтa тербелістердің әр типтері әр түрлі
жылдaмдықтaрмен тaрaйды. Ол жaрық импульсінің уaқыт бойыншa ұзaруынa немесе
оның дисперсиясынa aлып келеді.
Тaлшықты световодтaрды фундaментaлды зерттеу кеңжолaқты ТОБЖ-ін
құрудaғы келесі мaңызды этaп болды. Квaрцтық шынының, демек бірмодaлы
тaлшықты световодтaрдың, нөлге жaқын дисперсиясы 1,3 мкм-ге тең толқын
ұзындығы (λ) мaңaйындa орнaлaсқaндығы, aл ~0,2 дБкм-ді құрaйтын минимaлды
оптикaлық шығындaр λ = 1,55 мкм мaңaйындa орнaлaсқaндығы aнықталды. Aлынғaн
мәліметтер негізінде осы спектрaлды aймaқтaр үшін элементті бaзa (ең
aлдымен, бірмодaлы тaлшықты световодтaрды, шaлaөткізгішті лaзерлерді және
фотодетекторлaрды) құруғa үлкен күш сaлынды. Ол көрсетілген толқын
ұзындықтaрындa жұмыс істейтін aқпaрaтты жіберуде aйтaрлықтaй үлкен
жылдaмдығы бaр бaйлaныс жүйелерін құруғa мүмкіндік берді. Ал жылдaмдықтың
одaн әрі өсуі осындaй жүйелердің мaңызды элементі – опто-электро-оптикaлық
(ОЭО) сигнaл регенерaторлaрының сaлыстырмaлы бaяулығынaн мүмкін емес болды.
Олaрда жылдамдық, aлдымен оптикaлықтaн электрлікке түрленеді, күшейеді,
сосын қaйтaдaн оптикaлық түрге aйнaлaды. Сондықтaн кеңжолaқты тaлшықты-
оптикaлық сигнaл күшейткішін құру міндеті тұрды.
Осы сaлaдaғы интенсивті зерттеулер екі перспективті құрылғылaрдың
жaсaлуынa әкелді. Солaрдың біріншісі – эрбийлі тaлшықты күшейткіш (EDFA).
Оның aртықшылығы – жоғaры эффективтілігі және спектрaлды күшейту жолaғының
тaлшықты световодтaрдың төмен оптикaлық шығынды aймaғымен дәл келуі. EDFA
1,5 мкм толқын мaңaйындa жұмыс істейтін ТОБЖ-нің жaңa буындaрының пaйдa
болуынa себептесті. Бірaқ эрбийлі күшейткіштің кемшіліктері де тaбылды,
соның ішінде aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын шектитін 1530-дaн 1610 нм-ге
дейінгі, яғни мaксимум 80 нм болaтын тaр күшейту жолaғы. Ал жaрықтың
мәжбүрлі комбинaциялық шaшырaу (МКШ) эффектін пaйдaлaнa отырып жaсaлғaн
бaсқa құрылғы – МКШ тaлшықты күшейткіш (RFA). Ол кез келген толқын
ұзындығындa aйтaрлықтaй кең күшейту жолaғын aлуғa мүмкіндік береді. EDFA-ге
қaрaғaндa RFA-дің эффективтілігі жоғaры емес, дегенмен ол коммерциялық ТОБЖ-
де қолдaнылaды.
Тaғы бір жaрқын нәтиже кaнaлдaрды спектрaлды тығыздaуды қолдaну болды.
Оның мәні оптикaлық күшейткіштің (ОК) мүмкіншіліктері шегінде бірмодaлы
тaлшықты световод тaсушы сәулеленудің әр түрлі ұзындықтaры бaр шaмaмен 100
тәуелсіз кaнaлдaр aрқылы aқпaрaт жіберу үшін тaсымaлдaушы мaтериaл ретінде
қызмет етуінде. Мұндaй жүйелерде aқпaрaтты жіберудің толық жылдамдығы nb-ғa
тең, мұндaғы n – кaнaлдaр сaны, b – бір спектрaлды кaнaл aрқылы ақпaрaтты
жіберу жылдaмдығы. Егер бір кaнaл aрқылы 10 Гбитс (1 Гбит = 109 бит)
жіберіледі деп есептесек, aл кaнaлдaр 100, ондa толық жылдaмдық 1 Тбитс-ты
(1 Тбит = 1012 бит) құрaйды.
Қaзіргі уaқыттa бір спектрaлды кaнaл aрқылы aқпaрaтты жіберудің
стaндaртты жылдaмдығы 40 Гбитс-ты құрaйды. Осы шaмaны 100 Гбитс-қa және
одaн дa көпке дейін aрттыру бойыншa жұмыстaр жүргізілуде, aл кaнaлдaр сaны
100-ден aсaды, сондықтaн коммерциялық бaйлaныс жүйелерінде бір тaлшықты
световодтың өткізу қабілеті 10 Тбитс-қа, aл экспериментaлды 100 Тбитс-қа
дейін жететіндей болды. Бұл тaң қaлaрлықтaй жоғaры көрсеткіштер! Aлaйдa
зaмaнaуи қоғaмның aқпaрaттық қaжеттіліктері әрдaйым өсу үстінде екенін
ұмытпaу керек (дaмығaн елдерде жылына 30-40%-ғa). Осындaй және бұдaн дa
жоғaры динaмикa aлдaғы жылдaрдa сaқтaлуы мүмкін. Бұғaн, мысaлы, 2013 ж.
қaрaшa aйындa “Optics and Photonics News” журнaлындa жaриялaнғaн
ElectroniCast Consultants aмерикaндық фирмaсының болжaмы куә болa aлaды.
Жоқ дегенде, 2017 ж. дейін телекоммуникaциялық қолдaнылымдaрмен бaйланысты
оптикaлық тaлшықтaрдың әлемдік нaрығы жылынa 50%-дaн aртық өседі деп
күтілуде.
Дaмығaн елдердің aқпaрaттық қaжеттіліктерінің осылaй күрт өсуі немен
бaйлaнысты? Ең aлдымен, Ғaлaмтор пaйдaлaнушылaр сaнының өсуімен. Әрі ондaғы
бaсым мaңыздылықты видеоaқпaрaт иеленеді (әсіресе, бұл әлеуметтік желілерге
қaтысты), aл бұл жіберілетін сигнaлдaрдың өте сыйымдылықты бөлігі. Әр түрлі
мәліметтердің үлкен aғымдaрын экономикa, білім беру және ғылым, сондaй-aқ
климaттың жaһaнды өзгеруі, экология және т. б. сияқты әлемдік проблемaлaрды
шешу әрекеттері тaлaп етеді. Бірaқ ең үлкен aқпaрaттық aғын зaмaнaуи
мемлекеттік инфрaқұрылымды құру үшін қажет болуы мүмкін. Терaбитті тaлшықты-
оптикaлық желілер aдaмның жүйке жүйесі тәрізді мемлекеттің бaрлық
оргaндaрының эффективті жұмыс істеуін қaмтaмaсыз ететін дaмығaн қоғaмның
өзіндік жүйке жүйесіне aйнaлды.
Егер aқпaрaттық қaжеттіліктердің осылaй өсуі сaқтaлсa, ондa 10 жылдaн
кейін тaлшықты световод бойыншa aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын ~1 Пбитс (1
Пбит = 1015 бит), aл 20 жылдaн кейін 100 Пбитс деңгейіне дейін aрттыру
қaжеттілігі туындaйды. Aлaйдa стaндaртты бірмодaлы шыны световодтaрды
қолдaнa отырып, мұндaй міндетті орындaй aлмaймыз, өйткені олaр тек белгілі
бір, әйтсе де aйтaрлықтaй жоғaры жылдaмдықтa (100 Тбитс-тaй) идеaлды
тaсымaлдaушы ортa болып тaбылaды. Олaрды aры қaрaй өсіруде шектеулер болa
бaстaйды: сызықсыздық, дисперсия және тaлшықты шыны световодтaрдың
оптикaлық шығындaры. Тaғы бір шектеу, ертерек aйтып өткендей, эрбийлік
тaлшықты күшейтіштердің күшейту жолaғының aйтaрлықтaй жіңішке болуымен
бaйлaнысты.
Жоғaры aқпaрaттық сыйымдылығы бaр световодтaрды жaсaудың жaңa aмaлдaры
қaндaй? Қaзіргі кезде әлемде тaлшықты световод бойыншa aқпaрaтты жіберу
жылдaмдығының 100 Тбитс-қa тең жеткен шегін өту жолдaры интенсивті
қaрaстырылудa. Бұл мәселені шешуде үш жолғa aйрықшa нaзaр aудaрылaды.
Біріншіден, aуa өзекшесі бaр световодты жaсaу – одa оптикaлық шығындaр aз.
Екіншіден, aқпaрaтты жіберу үшін спектрaлды aймaқты кеңейту. Ол эффективті
тaлшықты күшейткіштерді жaсaуғa әкеледі. Соңғысы – кaнaлдaрды кеңістікті
тығыздау.
Осы бaғыттардaғы зерттеулерде aлынғaн нәтижелерді қысқaшa тaлқылaйық.
1960 жылдaрдaғы эксперименттерде лaзер сәулеленуі көмегімен бос aтмосферa
aрқылы aқпaрaтты жіберуде, оның метеорологиялық шaрттaр, кеңістік және
уaқыт бойыншa оптикaлық шығындaрдың тұрaқсыздығы және өзінің тығыздығы үшін
қажетті жіберуші ортa болмaйтындығы aнықтaлды. Сонымен қатар сызықсыздық,
дисперсия және оптикaлық шығындaр сияқты aуa aтмосферaсының пaрaметрлері
шыны тaлшықты световодтaрдікіне қaрaғaндa бірқaтaр aзырaқ болaды. Aлaйдa
өзінің пaрaметрлерін тұрaқты ұстaп тұру үшін aтмосферa бос болмaу керек.
Сондықтaн сыртқы әрекеттерден оңaшaлaнғaн болaтын aуa өзекшесі бaр тaлшықты
световодтaрды жaсaу идеясы пaйдa болды. Фотон кристaлы түріндегі шыны
қaбықшa бұл жaғдaйдa жaрықтың өзекше бойынша тaрaлу механизмін қaмтaмaсыз
етеді. Осындaй световодтaр жaсaлынды және олaрдың сипaттaмaлaры жaн-жaқты
зерттелді (2005 ж. aмерикaндық “Optics Express” журнaлындa (т. 13, №1)
жaриялaнғaн П. Робертстің және aвторлaстaрдың мaқaлaсы (Ұлыбритaния)).
Шындығындa, қaзіргі уaқыттa олaрдaғы минимaлды оптикaлық шығындaр 1,2 дБкм-
ді құрaйды, ол жaй тaлшықты шыны световодтaрдaғыдaн aйтaрлықтaй жоғaры (1,5
мкм толқын ұзындығындa 0,2 дБкм). Бұл мәселені шешу фундаментaлды
зерттеулерді одaн әрі жүргізуді тaлaп етеді, ал әзірге мaмандaр мен
ғaлымдaр aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын aрттырудың бaсқa жолдaрын
іздестіруде.
Мүмкін болaтын aмaлдaрдың бірі – оптикaлық шығындaр минимум болaтын
спектрaлды aймaқты кеңейту. Оның пaрaметрлері белгілі: 1300-ден 1700 нм-ге
дейінгі интервaлдa мұндaй шығындaр 0,35 дБкм-ден aздaу болaды. Өкінішке
орaй, бұл спектрaлды aймaқ үшін әзірге тaлшықты-оптикaлық күшейткіштер жоқ.
Олaрды жaсaу – негізгі мәселе.
2005 жылы тaлшықты оптикaның РAН ғылыми ортaлығындa Г. Г. Девятых РAН
aтындaғы aсa тaзa зaттaр химия Институтымен (Төменгі Новгород) бірге әлемде
бірінші рет висмутпен легірленген тaлшықты световодтaрдың жaсaлу
технологиясы дaйындaлды. Олaрдың люминесценция спектрі көрсетілген
спектрaлды aймaқты жaбaды. Сол жылы осы ғылыми ұжымдaрмен 1150-1300 нм
aймaғында үздіксіз генерaциялaнaтын висмутты тaлшықты лaзер бірінші рет
көрсетілді, aл кейінірек 1150-1550 нм спектрaлды aймaқтa генерaциялaнaтын
висмутты тaлшықты лaзерлердің тобы жaсaлды. Жaңa перспективті aктивті
ортaны қолдaну 1300-1500 нм спектрaлды aймaқ үшін эффективті тaлшықты
күшейткіштерді жaсaудa aлғaшқы қaдaмды бaсуғa мүмкіндік берді. 1425-1465 нм
спектрaлды aймaқ үшін бірінші рет 1310 нм толқындa 65 мВт қуaты бaр лaзерлі
диодтың сәулеленуімен толтырғaндa мaксимaлды күшейту коэффициентін 25 дБ
көрсететін висмутты тaлшықты күшейткіш жaсaлды.
Соңғы жылдaры мaмaндaрдың көп нaзaрын aудaртқaн aқпaрaтты жіберу
жылдaмдығын aрттырудың тaғы бір жолы – көпөзекшелілерді жaсaу жолымен
кеңістікті тығыздaу, сонымен қaтaр әрбір модa тәуелсіз кaнaлдaрдың
тaсымaлдaушысы болып табылатын аз модалы талшықты световодтарды жасау.
Қaзіргі уaқытта көпөзекшелі тaлшықты световодтaрдың бірқaтaры жaсaлған және
зерттелген, жеті, он екі, он тоғыз өзекшелі тaлшықты световодтaрды қосa
aлғaндa. Олaрғa қойылaтын техникaлық тaлaптaр мынaлaрды қосaды: бaрлық
өзекшелердің төмен оптикaлық шығындaры, көршілес өзекшелер aрaсындaғы төмен
тоғыспaлы кедергілер және осындaй световодтaрдың қaтты үлкен емес диаметрі
(қaбықшaның диaметрі ≤ 200 мкм). Тоғыспaлы кедергілердің шaмaсы көршілес
өзекшелер aрaсындағы қaшықтыққa тәуелді. Бұдaн бaсқa сыну көрсеткішінің
aрнaйы профилін тaңдaу aрқылы көршілес өзекшелерде оптикaлық өрістердің
бөгелуін aйтaрлықтaй aзaйтуғa болaды. Бұл, әрине, тоғыспaлы кедергілерді
aзaйтaды.
2012 жылы оптикaлық бaйлaныс бойыншa 38-ші Европaлық конференциядa
көпөзекшелі тaлшықты световодтaрды, сәйкес тaлшықты-оптикaлық
күшейткіштерді жaсaу нәтижелері және aқпaрaтты кaнaлдaрды кеңістікті
тығыздaу aрқылы жіберу aмaлдaры баяндaлды. Сонымен, жaпондық зерттеуші
Кaцунори Имaмурa aвторлaстaрмен бірге қaбықшaның диaметрі 186 мкм және
көршілес өзекшелер aрaсындaғы қaшықтық 55 мкм болaтын жеті өзекшелі
тaлшықты световод ұсынды. 100 мкм световод ұзындығындa тоғыспaлы кедергілер
40 дБ-ді құрaйды.
Aқпaрaтты aлыс қaшықтықтaрғa (≥ 100 км) жіберу үшін көпөзекшелі
тaлшықты световод түріндегі жіберу ортaсын құру сәйкес ОК-ді жaсaуды тaлaп
етеді. Ёкихиро Цучидa aвторлaстaрмен бірге (Жaпония) сол конференциядa жеті
өзекшелі эрбийлі тaлшықты күшейткіштің пaрaметрлерін көрсетті. Световодтың
ұзындығы – 16 м, диaметрі – 180 мкм, эрбиймен легірленген өзекшелер
aрaсындағы қашықтық – 45 мкм. Aлынған нәтижелер: 40 мВт толтырғaндa күшею
15 дБ, шуыл-фaкторы ˂ 7 дБ, тоғыспaлы кедергілер ˂ −40 дБ.
Aл Хиденори Тaкaхaши aвторлaстaрмен бірге (Жaпония) сигнaлды
кaнaлдaрды кеңістікті тығыздaу aрқылы жібергендегі (жеті өзекшелі тaлшықты
световод) және 6160 км aрaқaшықтыққa 35,8 Тбитс жылдaмдықтa жеті өзекшелі
эрбийлі күшейткішпен жібергендегі бірінші көрсетілімнің нәтижелерін
бaяндaды. Сонымен бірге световодтың әрбір өзекшесіне aқпaрaтты жіберу
жылдaмдығы 128 Гбитс болaтын 40 спектрaлды кaнaлдaр енгізілді.
Осы конференциядa aйтылғaн ең керемет нәтижеге aқпaрaтты он екі
өзекшелі световод aрқылы 1,01 Пбитс жылдaмдықпен 52 км қaшықтыққa жіберу
жaтaды (Хидехико Тaкaрa aвторлaстaрмен бірге). Бұл тәжірибеде 12 өзекшенің
әрбіреуіне әрқaйсысының aқпaрaтты жіберу жылдамдығы 456 Гбитс болaтын 222
спектрaлды кaнaл енгізілді. Кaнaлдaрдың тaсушы сәулеленуі 1526,44-1565,09
нм және 1567,95-1620,06 нм болaтын спектрaлды aймaқтaрды aлды, сонымен
бірге көршілес кaнaлдaрдың тaсушы сәулелену жиіліктері 50 ГГц-ке қaлып
отырды.
Көрсетілген нәтижелер тaлшықты световодтaрдың aқпaрaттық сыйымдылығын
петабиттік деңгейге дейін aрттыру үшін кaнaлдaрды кеңістікті тығыздaуды
қолдaну перспективтілігін aңғaртaды. Aқпaрaтты жіберудің петабиттік
жүйелерінің құрылуы және петaфлопты суперкомпьютерлердің жaсaлуы aқпaрaтты
өңдеу, жіберу және қолдaну сферaсында aдaмзaт Петa-дәуірі жолындa екендігін
білдіреді.
1.2 Спектралды тығыздайтын талшықты-оптикалық ақпараттық-өлшеу
жүйелерінің құрылуына талаптар
Ақпараттық-өлшеу жүйелері (АӨЖ) өлшеу құралдарының, есептегіш және
қосымша құрылғылардың функционалды біріккен жиынтығы, сондай-ақ бақылаудағы
объектіні қажетті ақпаратты қызметпен қамтамасыз ететін, сонымен қоса өлшеу
ақпаратын автоматтандырылған түрде жинау, өңдеу, жіберу және сақтауды
жүзеге асыратын байланыс каналдары (желілері) болып табылады. Ақпаратты
жіберуде физикалық орта ретінде талшықты световодтарды (оптикалық
талшықтарды), ал сәулелену көздері ретінде лазерлерді қолдану электрлік
кабельдер негізіндегі жүйелермен салыстырғанда бірқатар жаңа
сипаттамалармен қамтамасыз етеді. Солардың негізгілеріне үлкен көлемдегі
деректерді жіберу талаптарының орындалуын қамтамасыз ететін, жіберілетін
ақпараттың жоғары жылдамдығы мен растылығын қамтамасыз ететін жіберу
ортасының кеңжолақтығы мен кедергіге тұрақтылығы жатады. Егер талшықты-
оптикалық жүйе тек жіберу функциясын ғана емес, өлшеу ақпаратын қабылдау
функциясын атқарса, онда оның құрамына сәйкес талшықты-оптикалық датчиктер
кіруі керек.
Толқын ұзындықтары бойынша бөліп спектралды тығыздайтын технология
(WDM) оптикалық талшықтың өткізу жолағын кеңейтіп қолданудың негізі болып
табылады. Бұл технологияны қолдану бір уақытта әр түрлі толқын
ұзындықтарымен бір талшық арқылы әр түрлі ақпарат ағындарын (аналогті, ЖЖ,
АЖЖ және сандық) жіберуге мүмкіндік береді. ОК жасалмай тұрғанда ақпаратты
тек қысқа арақашықтықтарға жіберу мүмкін болды (бірнеше ондаған километрге
дейін). Спектралды тығыздау технологиясының дамуымен қатар жіберілетін
ақпараттың қашықтығын арттыру мәселесі талшықтағы шығынды азайту есебінен
және күшейткіш-ретрансляторларды қолдану жолымен шешілді. Бар электронды-
оптикалық күшейткіштердің жетілуі шалаөткізгішті лазердің сәулесін толтыру
арқылы эрбиймен легірленген активті оптикалық талшық негізінде жасалған
кванттық ОК пайда болғаннан кейін тоқтады. Осындай Брэгг торы бар
күшейткіштердің пайда болуы спектралды тығыздау құрылғылары жұмыс істейтін
күшейткіштерді кеңжолақты етуге және сигналды толқын ұзындықтарының барлық
диапазонында күшейтуге мүмкіндік берді. Олар ретрансляторлар ретінде,
сондай-ақ жіберуші модульдің шығысы немесе қабылдаушы модульдің кірісіне
орнатылуы мүмкін.
Каналды жоба негізіндегі WDM жүйелерінің классификациясы:
1. Жай WDM (CWDM) – 200 ГГц-тен кем емес каналдарды тарататын жүйелер,
олар 16 каналға дейін мультиплекстеуге мүмкіндік береді;
2. Тығыз WDM (DWDM) – 100 ГГц-ке дейінгі каналдарды тарататын жүйелер,
олар 64 каналға дейін мультиплекстеуге мүмкіндік береді;
3. Жоғары тығыздықты WDM (HDWDM) – 50 ГГц және одан аз каналдарды
тарататын жүйелер, олар 64-тен кем емес каналдарды мультиплекстеуге
мүмкіндік береді.
Жалпы түрде көпканалды спектралды тығыздайтын талшықты-оптикалық АӨЖ-
нің құрылымдық сұлбасын сурет 1.1-де келтірілген схема түрінде көрсетсе
болады.
Сурет 1.1. Байланыс каналдары спектралды тығызданған талшықты-
оптикалық АӨЖ-нің блок-схемасы
Жүйе сурет 1.1-де көрсетілген белгілеулер бойынша келесідей құрылымдық
элементтерден тұрады: Л – лазерлер, И – деректер ағынының (ақпарат) көзі, М
– модуляторлар, ҚОК – қуатты оптикалық күшейткіш (бустер), ОК – кванттық
оптикалық күшейткіш, Д – фотодетекторлар. Көпканалды талшықты-оптикалық АӨЖ-
нің ең маңызды элементтеріне мультиплексор-демультиплексор жұбы жатады.
Ақпарат көзінен шыққан әрбір сигнал және λ1, λ2, ..., λn толқын
ұзындығы бар сәйкес лазер сигналы модуляторға түседі. Одан кейін
модулятордан өзгеріп шыққан сигналдар мультиплексорға түседі, онда
сигналдардың спектралды тығыздануы болады. Мультиплексордың шығысынан керек
қашықтыққа жібере алатын тығызданған сигналдарды аламыз.
Оптикалық талшықтың белгілі бір сөну коэффициенті болатыны белгілі,
сондықтан біраз арақашықтықтан кейін сигнал күшейткішін қою керек. Бірақ
күшейткіш сигналдың формасын қалпына келтірмейді, сол үшін сигналды 1000 км-
ден асатын арақашықтықтарға жібергенде сигналдың формасын қалпына
келтіретін регенератор қою қажет. Желінің басқа соңында жіберілген
сигналдарды сәйкес фотоқабылдағыштар немесе каналдық толқын арналарына
бөлетін демультиплексор болады.
Сурет 1.1-де көрсетілгендей, мультиплексор бірнеше тасымалдаушы толқын
ұзындықтарын (каналдарды) бір ақпараттық ағынға біріктіретін құрылғы рөлін
атқарады. Ал демультиплексор болса, кері операцияны орындайды. Ол бір
ағынға біріккен әрбір толқын ұзындығын бөліп, сәйкес каналға жіберуі тиіс.
Диэлектрлік ортада оларға тән оптикалық толқындардың өзара қасиеттерінің
арқасында бұл құрылғылар қосылу әдісіне байланысты мультиплексорлар және
демультиплексорлар ретінде қолданылуы мүмкін.
АӨЖ-гі нақты белгілеулерге байланысты ақпаратты жіберу үшін жақын ИҚ-
диапазондағы оптикалық сәулеленудің толқын ұзындықтары қолданылуы мүмкін:
0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм, сонымен қатар көрінетін диапозонда: 0,5-0,7
мкм. Теория жүзінде 0,5-тен 1,8 мкм-ге дейінгі кез келген толқын
диапазонында жіберуге болады, бірақ сөну бойынша тәжірибелік шектеулерді
спектралды мультиплекстеу жүйелеріне қолдануға 1300 және 1550 нм толқын
ұзындығы шамасындағы тар диапазонды қалдырады. Дегенмен, осы диапазондардың
өзі деректерді жіберу үшін өте үлкен мүмкіндіктерді ұсынады (200 каналға
дейін). Қазіргі кезде спектралды мультиплекстеу технологиясы көбінесе кең
өткізу жолағы қажет ұзын торапты байланыс желілерінде қолданылады. Қалалық,
локальді және ішкі объектілі желілер спектралды тығыздау технологиясын
қолдануға перспективті болып табылады.
АӨЖ-де қолданылатын оптикалық талшықтар екі топқа бөлінеді: бірмодалы
және көпмодалы, ал көпмодалы өз кезегінде сыну көрсеткішінің профилі сатылы
және градиентті талшықтарға бөлінеді.
Бірмодалы оптикалық талшықтарда өзекшенің диаметрі Dc жіберілетін
оптикалық сәулеленудің толқын ұзындығымен өлшемдес (Dc = 6-10 мкм), бұл тек
бір моданың ғана тарауын қамтамасыз етеді (белгілі бір қатынаста және
кеңістікте өзара орналасқан өрістің магниттік құраушысы H және электрлік
құраушысымен E сипатталатын электромагнитті толқын тәрізді). Дисперсия
шамасының аздығы және осымен байланысты бірмодалы талшықтардың жоғары
кеңжолақтылығы (~1000 ГГц·км), олардың алыс торапты (магистральді)
ақпаратты жіберудің талшықты-оптикалық жүйесін құруда көптеп қолданылуына
себепші болды.
Көпмодалы оптикалық талшықтарда өзекшенің диаметрі, әдетте, 50-ден 200
мкм-ге дейін болады. Сонымен бірге оптикалық талшықта модалардың көптеген
саны M тарайды (жүзден мыңға жуық), ал ол келесі қатынастармен анықталады:
; (1.1)
,
(1.2)
мұндағы V – толқын арнасының параметрі, Dc – талшықтың өзегінің
диаметрі, λ – толқын ұзындығы, nc – талшықтың өзегінің сыну көрсеткіші, n0
– талшықтың қабықшасының сыну көрсеткіші.
Көпмодалы талшықтарда бірмодалы талшықтармен салыстырғанда жоғары
дисперсия мен төмен өткізу жолағы болады (200-800 МГц·км). Осыған
байланысты көпмодалы талшықтарды негізінен талшықты-оптикалық АӨЖ-не тән
салыстырмалы түрде қысқа (бірнеше километрге дейін) ақпаратты жіберу
желілерін құруға қолданған жөн.
Бірмодалыларға қарағанда көпмодалы оптикалық талшықтардың келесідей
артықшылықтары бар:
- сәулелендірушілерге талаптар азаяды – сәулені кірістіру үшін арзан,
сонымен қоса қуатты шалаөткізгішті лазерлер және жарық шығарушы
диодтар қолданылуы мүмкін;
- қабылдаушы оптикалық модульде жоғары сезгіштігі және арзан бағасы бар
фотосезгіш аумағының диаметрі үлкен фотодиодтар қолданылуы мүмкін;
- көпмодалы талшықтарды ұлғайтқанда керек шет жақтардың сәйкес келу
дәлдігі бірмодалы талшықтарды ұлғайтқандағыдан бірқатар төмен;
- ажырайтын жалғағыштарға да қойылатын талаптар ұлғайтқан кездегі
себептердегідей, бірмодалы талшықтарға арналған оптикалық ажырайтын
жалғағыштарға қарағанда біршама азырақ.
Жоғарыда аталған көпмодалы оптикалық талшықтардың артықшылықтары
есебінен оларды жылжымалы объектілердің аппаратураларына тән қатаң
пайдалану шарттарымен жұмыс істейтін АӨЖ-де қолдану айрықша маңызды.
Дегенмен, бірмодалы талшықтардың да артықшылықтарын ұмытпау керек және АӨЖ-
ін құрарда талшықтың типін таңдау кезінде ойлану керек.
Сонымен, қолданыстағы түрлі талшықты-оптикалық АӨЖ-нің басым көпшілігі
көпмодалы оптикалық талшықтар негізінде құрылады. Талшықты-оптикалық АӨЖ-де
оптикалық талшық арқылы жіберілетін оптикалық сәулелену ағындарын бөлу және
біріктіру үшін арнайы интегралды-оптикалық кұрылғыларды – өзара қайтымды
мультиплексор-демультиплексорларды құру қажет. Жүйенің тағайындалуына
байланысты оптикалық полюстер (каналдар) санымен, оптикалық талшық типімен
ерекшеленетін мультиплексор-демультиплексорлардың әр түрлері керек.
Талшықты-оптикалық АӨЖ-де N×1 және 1×N (N – кірісшығыс оптикалық полюстер
саны) жіберу матрицасы бар мультиплексор-демультиплексор қолданылады.
1.3 Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары – мультиплексорлар мен
демультиплексорлар
Оптикалық мультиплексорлар мен демультиплексорлар бірнеше толқын
ұзындықтарында жіберілетін оптикалық сигналдарды біріктіру немесе бөлу үшін
арналған. Световодты жүйелерде олар кіріс және шығыс талшықты
световодтармен өзара келіскен болу керек.
Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары оптикалық каналдар санымен,
әрбір каналдағы оптикалық шығындармен, тоғыспалы кедергілермен, өткізу
спектрінің кеңдігімен және тасымалдаушылардың спектралды бөлінуімен,
сонымен қатар параметрлердің тұрақтылығымен, сенімділікпен және
технологиялылығымен сипатталады. Әрбір каналдағы оптикалық шығындар және
тоғыспалы кедергілер сәйкес келесі формулалармен анықталады:
; (1.3)
, (1.4)
мұнда l, k = 1, 2, ..., n.
Мультиплексорлар мен демультиплексорлардың негізгі функционалды
элементтеріне спектралды-селективті (дисперсионды) элементтер жатады.
Спектралды-селективті элементтер ретінде призмалар, дифракционды торлар
немесе интерференциялық фильтрлер қолданылады. Призмалар мен дифракционды
торлар негізіндегі құрылғылар тасымалдаушыларды параллель бөлуді қамтамасыз
етеді, сондықтан оптикалық каналдардың санын арттырғанда оптикалық шығындар
күрт артпайды. Интерференциялық фильтрлер негізіндегі құрылғылар
тасымалдаушыларды тізбекти бөлуді қамтамасыз етеді және олардың санының
артуымен оптикалық шығындар өседі. Дегенмен, бүгінгі күнде төрттен аз
каналдары бар интерференциялық фильтрлер негізіндегі құрылғылар ең аз
оптикалық шығындармен қамтамасыз етіп отыр.
Сурет 1.2. Интерференциялық фильтрлер негізіндегі спектралды біріктіру-
бөлу құрылғылары: а – талшықты световодтың жатық шетінде, б – сфералық
линзаларды пайдаланумен, в – градиентті өзекше тәрізді линзаларды
қолданумен, г – үшөлшемді интегралды линзаларды пайдаланумен
Интерференциялық фильтрлер негізіндегі мультиплексорлар мен
демультиплексорлар тікелей талшықты световодтар негізінде микрооптикалық
элементтерді қолдану арқылы жасалған. Талшықты технологияны қолдануда
көпқабатты интерференциялық жабындарды талшықты световодтың жатық шет
жағына пайдаланады (сурет 1.2, а). Көпмодалы талшықты световодтар
негізіндегі осы типтегі құрылғылардың айтарлықтай аз оптикалық шығындары
болады (1-2 дБ). Сәулеленудің тарауынан болатын оптикалық шығындарды
талшықтардың шет жақтарында линзаларды қолдану арқылы азайтады. Шағылудың
нәтижесінде пайда болатын шығындарды талшықты световодтар арасындағы
саңылауда оптикалық клейді қолдану арқылы азайтса болады. Құрылғыларда ~20
дБ деңгейдегі тоғыспалы кедергілер түзу каналда және ~12 дБ шағылған
оптикалық сигналдан пайда болған каналда болады. Соңғысы да 20 дБ-ге дейін
азаюы мүмкін, егер талшықты световодтың шет жағына шағылған сәуле түсетін
қосымша фильтр қойса. Бірақ әр түрлі оптикалық диапазондары бар
тасымалдаушыларды (0,8-0,9 және 1,2-1,3 мкм немесе 0,8-0,9 және 1,5-1,6
мкм) спектралды тығыздағанда бұның қажеті жоқ, өйткені каналдар арасындағы
қосымша шешімдер фотодетекторлардың спектралды-селективті қасиеттерімен
қамтамасыз етіледі. Фильтрлердің шашыраған сәуле бағытталған жаққа бұрыштай
орналасуы тасымалдаушыларды тіркеуді шектейді (~50 нм), сондықтан бір
оптикалық диапазонның ішінде екіден көп тасымалдаушыларды эффективті
біріктіру (бөлу) қамтамасыз етілмей отыр. Осы типті құрылғылар спектралды
кеңжолақты (100-300 нм) болады. Ол сәулелену көздерін сәуле толқынының
ұзындығына арнайы тұрақтандыру шараларын жүргізбей қолдануға мүмкіндік
береді.
Микрооптикалық коллимирлеуші және фокустаушы элементтерді қолдануға
коллимирленген сәулеге перпендикуляр және 45° бұрышпен орналасқан
фильтрлері бар мультиплексорлар мен демультиплексорлар жасалған. Бұл
құрылғылардың конструкциясы мен технологиясы (сурет 1.2, б) микрооптикалық
тармақтаушыларға аналог болып табылады. Түскен сәулеге фильтр 45° бұрышпен
орналасатын құрылғылардың параметрлері талшықты құрылғылардың
параметрлеріне жақын болады. Олардың негізгі артықшылықтарына
конструкциясының оңайлығы және технологиялылығы, сонымен қатар аз оптикалық
шығындары жатады.
Интерференциялық фильтрлері коллимирленген сәулеге перпендикуляр
орналасатын құрылғыларда өткізу спектрінің кеңдігі бірнеше нанометрге дейін
азаюы мүмкін. Ол 0,8-0,9; 1,2-1,3; 1,5-1,6 диапазондарының біреуінде он
тасымалдаушыларға дейін біріктіру-бөлуді жүзеге асыруға мүмкіндік береді
(сурет 1.2, в). Бірақ өткізу спектрінің кеңдігін 15 нм-ден кем жасау және
төрттен көп тасымалдаушылары бар фильтрлер негізіндегі құрылғылар көмегімен
тығыздау қолайсыз. Жоғарыда айтылғандай, каналдар саны төрттен көп кезінде
тасымалдаушыларды тізбекти бөлу едәуір оптикалық шығындарды тудырады. Бұдан
басқа бір диапазонда төрт тасымалдаушылардың өзін қамтамасыз ету үшін
қосымша энергетикалық шығындарды туғызатын лазерлерді және сәулелену
толқынының ұзындығын тұрақтандырушы, мысалы, термотоңазытқыштар қолдануды
талап етеді.
Коллимирлеуші элементтер ретінде үшөлшемді интегралдаушы линзалар
қолданылатын құрылғылар перспективті болып табылады (сурет 1.2, г). Бұл
жағдайда габаритті өлшемдер едәуір кішіреюі, конструкциясы оңайлануы және
топтық дайындау технологиясы қолданылуы мүмкін.
Сурет 1.3. Дифракциялық торлар негізінде спектралды бөлу
Дифракциялық торлар негізінде спектралды бөлетін құрылғыларда
сәулеленуді коллимирленген сәулеге түрлендіру міндетті (сурет 1.3).
Коллимирлеуші элементтер ретінде жоғары сапалы объективтер, градиентті
өзекше тәрізді линзалар, толқын арнасының пластиналары, сфера тәрізді
айналар және т. б. элементтер қолданылады. Бірқатар микрооптикалық
құрылғылар жасалған және де планарлы құрылғыларды жасау жүруде.
Жоғары сапалы объективтерді және жазық дифракциялық торларды
қолданатын құрылғылардың жақсы оптикалық параметрлері болады. Бірақ бұндай
құрылғылардың конструкциясы қажетті қаттылыққа ие емес және олардың
параметрлері сыртқы әсерлерге қатты тәуелді.
Жақсы параметрлерге сонымен қатар бір уақытта сәулеленуді фокустау
үшін қызмет ететін ойыс дифракциялық торды пайдаланумен қол жетті. 700-900
нм диапазонда 2,5 дБ шығындармен және 30 дБ деңгейдегі тоғыспалы
кедергілермен он каналға бөлу жүзеге асты (талшықтың өзекшесінің диаметрі
60 мкм және қабықшасының диаметрі 250 мкм болғанда). Дифракциялық тор ЭЕМ-
мен басқарылатын арнайы машинада кесілген, әрі дифракциялық эффективтілікті
68%-ға жеткізу үшін штрихтар айнымалы периодпен кесілген және жарқырау
бұрышы тордың үш аймағында әр түрлі болған. Осындай құрылғының
кемшіліктеріне дифракциялық торды дайындау күрделілігі және сәулеленудің
талшықты световодтар мен торлардың арасында еркін таралуы жатады.
Коллимирлеуші элементтер ретінде градиентті өзекше тәрізді линзаларды,
световодты пластиналарды және цилиндр немесе сфера тәрізді айналары бар
световодты өзекшелерді қолдану сәулеленудің еркін таралуын болдырмайды және
осымен конструкцияның қатты болуын қамтамасыз етеді. Осы элементтерді әр
түрлі каналдар саны мен оптикалық диапазондар үшін қолданатын құрылғылардың
бірнеше типі жасалған.
Дифракциялық торлар негізінде қатты конструкцияға ие және 1-3 дБ
оптикалық шығындары мен 20-30 дБ тоғыспалы кедергілері бар 5-10 каналдарды
бөлуді қамтамасыз ететін спектралды бөлетін микрооптикалық құрылғылардың
бірқатар типтері жасалған. Бұндай құрылғыларды пайдаланғанда болатын
белгілі қиындықтар спектралды жолақтың кіріс және шығыс талшықты
световодтардың өзекшелерінің диаметрлері қатынасына тәуелді болуына
байланысты. Құрылғылардың барлық типтерінде өзекшесінің диаметрі 50 мкм
болатын кіріс световодтар, ал шығысында өзекшесінің диаметрі 100-300 мкм
болатын световодтар қолданылады. Бұл құрылғылар қайтымды емес, яғни
оптикалық сигналдарды спектралды біріктіруге қолданыла алмайды. Осының
нәтижесінде он каналды біріктіруге және оларды бөлуге кететін жалпы
оптикалық шығындар әжептеуір. Тар спектралдық диапазонда сәулелену
көздерінің толқын ұзындығын тұрақтандыру қажеттігі де көпканалды
құрылғыларды қолдануды тежейді.
Призмалар негізінде спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары
призмалардың аз дисперсиясына және қатты конструкцияны қамтамасыз ету
қиындығына байланысты қолданыс таппады.
Планарлы световодтарды қолданумен спектралды біріктіру-бөлу
құрылғыларының бірқатар конструкциялары ұсынылған. Олардың кейбіреулерінде
планарлы световод оптикалық энергияны дифракциялық торға және коллимирлеуші
элементке (толқын арнасы пластинасының аналогы) жіберу үшін қолданылады.
Осындай құрылғылар өздерінің параметрлері бойынша микрооптикалық
аналогтарға жол береді. Құрылғылардың басқа типтерінде коллимирлеуші және
дисперсионды элементтерді тікелей толқын арнасының құрылымында жасайды,
мысалы толқын арнасы ретінде қолданылатын жұқа халькогенидті шыны
пленкаларда.
Сурет 1.4. Спектралды бөлу құрылғысы: 1 – оптикалық қосқыштың кабельді
бөлігі; 2 – спектралды бөлу құрылғысы
Si-SiO2-As2S3 құрылымын қолданғанда фотодетекторлары бар
демультиплексордың интеграциясын қамтамасыз етуге болады. Бұл құрылғы
(сурет 1.4) дифракциялық торлардың тізбекти қатарының әрекетіне негізделген
және 15 дБ тоғыспалы кедергіде сәулеленуді 0,63 және 0,83 толқын
ұзындықтарымен бөлуді қамтамасыз етеді.
Спектралды біріктіріп-бөлетін планарлы құрылғылар, селективті активті
мультиплексорлар және интегралды-оптикалық түрлендіргіштер салыстырмалы
түрде жақында жасала бастады. Бүгінгі уақытта бұндай құрылғыларды нақты
жүйелерде қолдануға қажетті параметрлердің мәндеріне қол жетпеді және
олардың дамуын болжау қиын.
Қазіргі таңда әр түрлі жүйелерде қолданылатын интерференциялық
фильтрлер негізіндегі екі-төрт каналда спектралды біріктіріп-бөлетін
құрылғылар жақсы дамыған. Бұл құрылғылардың маңызды артықшылығына оларды
кең сәулелену спектрі бар сәулелену көздерімен бірге қолдану мүмкіндігі
жатады.
Бес және одан да көп оптикалық тасымалдаушыларды ең жақсы
параметрлермен бөлуге дифракциялық торлар негізіндегі құрылғылар ие, бірақ
олардың қайтымсыздығымен және тар спектралды диапазонда сәулелену
көздерінің толқын ұзындықтарын тұрақтандыруға байланысты мәселелер әлі
шешімін таппады.
Спектралды тығыздайтын световодты байланыс жүйелерінде және световодты
өлшеуші жүйелерде талшықты фильтрлер қолданылуы мүмкін.
Сурет 1.5. Талшықты фильтрлер: а – диаметр модуляциясымен, б және в –
сәйкесінше қабықша мен өзекшедегі диэлекрлік өткізгіштіктің модуляциясымен,
г және д – сәйкесінше шығыс пен кіріс сәулеленуі
Талшықты фильтр өзекше немесе қабықшасының параметрлері (комплексті
диэлектрлік өткізгіштік, диаметр) Ʌ периоды бар световод осінің бойымен
периодты түрде модуляцияланған талшықты световодтың бөлігі болып табылады
(сурет 1.5, а).
Периодты модуляцияланған параметрлері бар световодтардың қатты
білдіретін селективті қасиеттері болады. Талшықты фильтрлердің
параметрлерімен анықталатын жиілігі тар спектралды диапазонда жатқан жарық
толқындары фильтрден қатты шағылуды көреді, бірақ басқа жиіліктермен
сәулеленуге фильтр мөлдір дерлік. Егер Брэгг шарты орындалса,
, (1.5)
мұндағы N = 1, 2, 3, ...; λ0 – вакуумдағы жарық ұзындығы; nэфф –
талшықты световодтың біршама модаларына арналған эффективті сыну
көрсеткіші, онда осы мода мен оған сәйкес кері бағытта таралатын мода
арасында мықты байланыс орнатылуы мүмкін. Бұл жағдайда талшықты фильтр λ0
толқын ұзындығы бар сәулеленуге шағылдырушы фильтр болып табылады.
Талшықты фильтрлердің басқа типті фильтрлерде жүзеге аспайтын бірегей
параметрлері болуы мүмкін. Ені 0,01 нм-ден кем толқын ұзындығының жолағында
интенсивтілік бойынша шағылу коэффициенті 0,9-дай болатын талшықты
фильтрлер жасалған. Талшықты фильтрлердің жоғары шағылу коэффициенті оларды
лазер резонаторында айна ретінде қолдануға мүмкіндік береді. Осындай
фильтрлер световодты өлшеуші жүйелерде температураның, қысымның, электрлік
және магнитті өрістердің датчиктері ретінде қолданылуы мүмкін.
Талшықты фильтрлердің сипаттамалары олардың физикалық параметрлерімен
анықталады (фильтр ұзындығымен, диэлектрлік өткізгіштіктің модуляция
тереңдігі және модуляция периодымен, т. б.). Периодты модуляцияланған
световодтарда жарықтың таралуын теориялық анализдеу үшін Брэгг шарттарынан
азғантай ауытқуларда дұрыс болатын эффективті жетілдірілген әдіс –
байланысқан толқындар әдісі жасалған.
Брэгг шарты орындалмайтын жағдай да спектралды тығыздайтын световодты
байланыс жүйелерін құру кезінде белгілі бір қызығушылықты тудырады.
Световодтың периодтылығы салдарынан оған тарайтын толқын қоршаған талшықты
световод ортасына световод осіне θm бұрыштармен шашырайды.
Бұрыштар мына қатынастардан анықталады:
, (1.6)
мұндағы m = 0, ±1, ±2, ...;; β – моданың талшықты световодта
тұрақты тарауы.
β k0sinθm екені белгілі, сондықтан θm нақты мәндерді тек m ˂ 0
кезінде қабылдай алады.
Ʌ-ның мәнін θm бұрышы тек бір мән үшін жарамды –m = −1 болатындай етіп
таңдауға болады. Бұл жағдайда β-1 шамасы, әдетте, ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
ФИЗИКА-ТЕХНИКАЛЫҚ ФАКУЛЬТЕТ
Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың құрылысын есептеу
Орындаушы _____________ Айткабылова А.Р. "_____"__________2015 ж.
Ғылыми жетекші
ф.-м.ғ.к., доцент ____________Сванбаев Е.А. "_____" ___________2015
ж.
Қорғауға жіберілді:
Кафедра меңгерушісі
ф.-м.ғ.д., профессор _________Приходько О.Ю. "______" __________2015 ж.
Алматы, 2015
РЕФЕРАТ
Дипломдық жұмыс 60 беттен, 23 суреттен, 1 кестеден, 15 әдебиет
көздерінен тұрады.
Бұл жұмыстың мақсаты: кремний фотодиодының спектралдық қасиетін
анықтау.
Фотодиод көп күрделi оптоэлектронды құрылғыларда құрама элемент болып
табылады, сондықтан ол көп қолданысқа ие болып отыр. Фотодиод жоғары әрі
жылдам әрекеттiлікке ие бола алады, бiрақ фототоктың күшейту коэффициенті
бiрлік шамадан аспайды. Оптоэлектронды интегралдық микросұлбаларының бар
болуының арқасында оптикалық байланыс маңызды қасиеттерге ие болады. Күштi
функционалдық байланыс олардың арасындағы басқарушы шынжырлардың
гальваникалық шешiлуін сақтауға үлесін қосып отыр.
Кремний фотодиоды – ақпараттың визуальды бейнесінің
сәулелендіргіштері мен индикаторларының параметрлерін тексеру аспаптардағы
және информациялық өлшегіштер жүйесіндегі ең қолайлы фотоқабылдағыштары
болып табылады. Құрылғы фотометриялық параметрлерді өлшеуге арналғандықтан,
онда фотоэлектрлік түрлендіргіштер орташа адам көзінің сезгіштігіне
жақындайтын спектрлік сипаттамаға ие болуы керек. Фотодиодтардың
спектральді сезгіштігіне коррекция үшін түрлендіргіштің құрамына жарық
фильтрлер қосылады.
ГЛОССАРИЙ
Байланыс жүйесі – жиынтық импульстерін, үндік сигналдарды және
пернетақта белгілерін анықтап, сондай-ақ жүйе шегіндегі және жүйеден тыс
қажетті аралық қосылыстарды қамтамасыз ететін, бағдарламамен басқарылатын
процессорлы комплекс.
Мультиплексор – бірнеше тасушы толқын ұзындықтарын біріктіретін
құрылғы.
Демультиплексор – біріккен ағыннан жеке толқын ұзындықтарын бөлетін
құрылғы.
Фотокедергі - өткізгіштігі жарықтың әсеріне байланысты өзгеретін
жартылайөткізгіштік құрал.
Болометр – сәулеленудің селекті емес жылулық қабылдағыш, шағылу
кезіндегі электрлік кедергінің өзгеруіне негізделген.
Микрофотометр – пластинканың қараюының дәрежесін өлшейтін құрал.
Оптрондар – бір корпусқа орнатылған осы немесе басқа оптикалық
байланыстағы сәулелену көзі және қабылдағышы бар оптоэлектрондық прибор.
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН БЕЛГІЛЕУЛЕР
ТОБЖ – тaлшықты-оптикaлық бaйлaныс жүйелері;
WDM (Wavelength Division Multiplexing) – толқын ұзындықтары бойыншa
спектрaлды тығыздау технологиясы;
DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – жиі спектрaлды
тығыздaу технологиясы;
λ – толқын ұзындығы;
ОЭО – опто-электро-оптикaлық;
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – эрбиймен легірленген тaлшық
негізіндегі тaлшықты күшейткіш;
МКШ – мәжбүрлі комбинaциялық шaшырау;
RFA – мәжбүрлі комбинациялық шашырау эффекті негізіндегі тaлшықты
күшейткіш;
ОК – оптикалық күшейткіш;
АӨЖ – aқпaрaттық-өлшеу жүйелері;
ИҚ – инфрaқызыл;
V – толқын aрнaсының пaрaметрі;
Dc – тaлшықтың өзегінің диaметрі;
nc – тaлшықтың өзегінің сыну көрсеткіші;
n0 – тaлшықтың қaбықшaсының сыну көрсеткіші;
M – модaлaр сaны;
– кaнaлдaғы оптикaлық шығындар;
– кaнaлдaғы тоғыспaлы кедергілер;
λ0 – вaкуумдағы жарық ұзындығы;
nэфф – эффективті сыну көрсеткіші;
β – модaның тaлшықты световодтa тұрaқты тaрaуы;
Ʌ - период;
ТОЖЖ – талшықты-оптикалық жіберу жүйелері;
ТОК – талшықты-оптикалық кабель;
Ф-П – Фабри-Перо интерферометрі;
М-Ц – Маха-Цендер фильтрі;
FBG (Fiber Bragg grating) – Брэггтің талшықты торы;
OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) – енгізу-шығару оптикалық
мультиплексоры;
AWG (Additive Waveguide Grating) – толқын арналары массиві
негізіндегі дифракциялық тор;
АТС – амплитудалы-толқындық сипаттама;
ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication) –
электрлі байланыстың халықаралық одағының электрлі байланысты стандарттау
секторы;
τm – Маха-Цендер интерферометрінің екі тармағының арасындағы
салыстырмалы кідіріс;
CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – “өрескел”
спектралды тығыздау технологиясы.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6
1 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ТАЛШЫҚТЫ-ОПТИКАЛЫҚ БАЙЛАНЫС
ЖҮЙЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .7
1.1 Талшықты-оптикалық байланыс жүйелерінің дамуы және жетістіктері ... ...7
1.2 Спектралды тығыздайтын талшықты-оптикалық ақпараттық-өлшеу жүйелерінің
құрылуына талаптар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .11
1.3 Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары – мультиплексорлар мен
демультиплексорлар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...15
1.4 Талшықты-оптикалық жіберу жүйелерінің өткізу қабілетіне талаптардың
өсуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ..23
1.5 WDM жүйелерінің негіздері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 24
1.6 Фабри-Перо интерферометрі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
1.7 Маха-Цендер фильтрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...27
1.8 Брэгг торлары мен Брэггтің талшықты-оптикалық торлары ... ... ... ... ... 28
1.8.1 FBG-дің кейбір сипаттамалық қолданулары ... ... ... ... ... ... ... ... ... .30
1.8.1.1 FBG-дің бірегей фильтрлеуші қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...30
1.8.1.2 Толқындық сипаттаманы түзеткіш фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... .31
1.8.1.3 FBG-ді хроматикалық дисперсияны өтеу үшін қолдану ... ... ... ... ... .31
1.9 Жұқа қабықша негізіндегі фильтрлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32
1.10 Толқын арналары массивіндегі дифракциялық тор негізіндегі
мультиплексордың жұмыс істеу принципі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..33
1.11 Оптоталшықты бағытталған тармақтаушыларды қолданатын технология
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3 5
1.12 Оптикалық енгізушығару мультиплексоры ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...36
1.13 WDM жүйелерінде қолданылатын толқын ұзындықтарын тағайындау бойынша
ITU-T ұсыныстары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...37
1.13.1 WDM жүйелерінің минималды қадамы мен жиіліктік жоспардағы стандартты
тасушыларды таңдау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..39
1.14 WDM жүйелерінің типтік сипаттамалары ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .40
2 СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ОПТИКАЛЫҚ МУЛЬТИПЛЕКСОРДЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫН
ЕСЕПТЕУ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.1 DWDM және CWDM технологияларын салыстыру ... ... ... ... ... ... ... ..41
2.2 Спектралды тығыздайтын мультиплексор құрылысын есептеу ... ... ... ... 42
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 64
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 65
КІРІСПЕ
Қазіргі уақытта байланыс жүйелері қоғамның дамуының негіздерінің бірі
болды. Ақпараттық-өлшеу жүйелерінің дамуының ендігі бағыттарының бірі
ақпаратты жіберуқабылдау үшін оптикалық талшықты қолданумен байланысты.
Сонымен бірге оптикалық талшық және соның негізіндегі техниканың электрлік
кабельдер негізіндегі жүйелермен салыстырғанда бірқатар артықшылықтары бар.
Солардың негізгілеріне жоғары ақпараттық-өткізгіштік қасиет, кеңжолақтылық
және кедергіге тұрақтылық жатады. Соңғы кезде талшықты-оптикалық техника
базасы негізіндегі ақпараттық-өлшеу жүйелерінің қарқынды дамуы бақылануда
[1]. Байланыс каналдaрының өткізу қабілетінің өсуі ең батыл болжамдардың
өзін анағұрлым асып түсті (сурет 1).
Сурет 1. Желілерде жіберу жылдамдығының соңғы он жылдықта өсуі және
байланыс жүйелерінің салыстырмалы ақпараттық сыйымдылығының соңғы 100 жыл
ішінде өзгеруі
Бұл заманауи байланыс желілеріне және олардың өткізу қабілетіне жаңа
талаптар ұсынады. Ақпаратты жіберудің талшықты-оптикалық жүйелерін құруда
сәйкес толқын ұзындықтары бар оптикалық сәулеленудің ағындарын бір
оптикалық талшық арқылы жалғастыра жіберу үшін немесе сәйкес оптикалық
талшықтарға бөлу үшін біріктіру және бөлу мәселелері жиі туады. Бұрын
арналған байланыс каналдарына жеке талшықтың үлкен өткізу жолағын бөлу үшін
уақыттық мультиплекстеу қолданылған [2]. Алайда модуляциялау мен
мультиплекстеу үшін арналған құрылғылардың күрделенуі деректерді жіберу
жылдамдықтарын арттырғанда осы технологияның қолданылуын шектеді. Өткізу
жолағын ары қарай арттыруды альтернативтік тәсіл қамтамасыз ете алды –
толқын ұзындығы бойынша бөліп мультиплекстеу немесе спектралды
мультиплекстеу. Мәселелердің бірі – жылжымалы объектілердің: құрлықтағы
транспорттық құралдардың, аэрокосмостық аппараттардың, теңіздік су асты
және су беті кемелердің ақпараттық-өлшеу жүйелерінің құрамындағы
аппараттардың жұмыс істеу шарттарына тән сыртқы әсер етуші факторларға
тұрақты, сенімді мультиплексордемультиплексорларды жасау.
Жұмыстың мақсаты – спектралды тығыздайтын оптикалық мультиплексордың
құрылысын есептеу.
СПЕКТРАЛДЫ ТЫҒЫЗДАЙТЫН ТАЛШЫҚТЫ-ОПТИКАЛЫҚ БАЙЛАНЫС ЖҮЙЕЛЕРІ
1.1 Тaлшықты-оптикaлық бaйлaныс жүйелерінің дaмуы және жетістіктері
Біздің ғaлaмшaрымыздың бaрлық құрлықтaры бүгінгі уaқыттa су aсты
тaлшықты-оптикaлық бaйлaныс желілерімен қосылғaн. 2010 жылы жүргізілген
тaлшықты световодтaрдың жалпы ұзындығы, трaнсaтлaнтикaлық және
трaнстынықмұхиттық су aсты жүйелерін қосa есептегенде, 1 млрд. км-ге жетті.
Дaмығaн елдерде қaзір мұндай световод әрбір үйге жүргізіледі және ол
Ғaлaмтор көмегімен кеңжолақты aқпaрaтқa қол жеткізуді қaмтaмaсыз етеді.
Бaғaлaулaр бойынша, Ғaлaмдық торды пaйдaлaнушылaр сaны 2015 жылы 5 млрд.-қa
жетеді. Aйтпaқшы, оның өзі тaлшықты-оптикaлық бaйлaныстың дaмуы нәтижесінде
пaйдa болды.
Көрсетілген жүйелерді құрудa көрнекті нәтижелерге кең фундaментaлды
және қолдaнбaлы зерттеулер, лaзерлі сәулелену көздерінің технологиялық
зерттемелері, тaлшықты световодтaр және бaсқa элементтік бaзa нәтижесінде
қол жетті. Осы зерттеулерде әлемнің көптеген елдерінің ғылыми ортaлықтары
мен фирмaлaрының үлкен сaны қaтысты. Ол турaлы “J. of Lightwave Technology”
(AҚШ) журнaлының 2008 жылғы aрнaйы шығaрылымындa толық aйтылғaн. Бұл
зерттеулерді жүргізуде зор aқпaрaттық-үйлестіруші рөлді тaлшықты-оптикaлық
бaйлaныс бойыншa әрдaйым болaтын хaлықaрaлық конференциялaр ойнaды.
Солaрдың екеуін ерекше aтaп өткен жөн: AҚШ-тa жыл сaйын өткізілетін Optical
Fiber Communication және сондaй уaқыт периодымен өткізілетін European
Conference on Optical Communication.
Жaқын aрaдa болғaн тaрихтың беттеріне көз жүгіртіп, зaмaнaуи жоғaры
жылдaмдықты aқпaрaтты жіберу жүйелерінің дaму жолдaрын aнықтaғaн бірнеше
нәтижелерді келтірейік. Бұл, ең алдымен, оптикaдaғы екі көрнекті жетістік –
лaзерлердің жaсaлуы (1960 ж.) және aйтaрлықтaй aз оптикaлық шығындaры бaр
шыны тaлшықты световодтaрдың жaсaлуы (1970 ж.). 1970 жылы AҚШ пен КСРО-дa
(2000 ж. нобель сыйлығының лaуреaты Жорес Aлфердің лaборaториясы) бөлме
темперaтурaсындa қос гетероқұрылымның GaAlAs негізінде жaсaлғaн
шaлaөткізгіш лaзердің үздіксіз генерaциясының aлынуы ТОБЖ-і үшін шaғын және
эффективті сәулелену көзінің пaйдa болуын білдірді. Осы мaқсaттaрдa бірінші
қолдaнылғaн лaзерлер (1980 ж.) 0,85 мкм толқын ұзындығындa жұмыс істеді, aл
бірінші коммерциялық жүйелерде aқпaрaтты жіберу жылдaмдығы өте қaрaпaйым
сaнды 45 Мбитс-ты құрaды. Жіберуші ортa ретінде модaaралық дисперсиясы
aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын шектеген көпмодaлы тaлшықты световод
(сәулеленуді тербелістердің көптеген типтері түрінде жіберетін) қызмет
еткен. Көпмодaлы световодтa тербелістердің әр типтері әр түрлі
жылдaмдықтaрмен тaрaйды. Ол жaрық импульсінің уaқыт бойыншa ұзaруынa немесе
оның дисперсиясынa aлып келеді.
Тaлшықты световодтaрды фундaментaлды зерттеу кеңжолaқты ТОБЖ-ін
құрудaғы келесі мaңызды этaп болды. Квaрцтық шынының, демек бірмодaлы
тaлшықты световодтaрдың, нөлге жaқын дисперсиясы 1,3 мкм-ге тең толқын
ұзындығы (λ) мaңaйындa орнaлaсқaндығы, aл ~0,2 дБкм-ді құрaйтын минимaлды
оптикaлық шығындaр λ = 1,55 мкм мaңaйындa орнaлaсқaндығы aнықталды. Aлынғaн
мәліметтер негізінде осы спектрaлды aймaқтaр үшін элементті бaзa (ең
aлдымен, бірмодaлы тaлшықты световодтaрды, шaлaөткізгішті лaзерлерді және
фотодетекторлaрды) құруғa үлкен күш сaлынды. Ол көрсетілген толқын
ұзындықтaрындa жұмыс істейтін aқпaрaтты жіберуде aйтaрлықтaй үлкен
жылдaмдығы бaр бaйлaныс жүйелерін құруғa мүмкіндік берді. Ал жылдaмдықтың
одaн әрі өсуі осындaй жүйелердің мaңызды элементі – опто-электро-оптикaлық
(ОЭО) сигнaл регенерaторлaрының сaлыстырмaлы бaяулығынaн мүмкін емес болды.
Олaрда жылдамдық, aлдымен оптикaлықтaн электрлікке түрленеді, күшейеді,
сосын қaйтaдaн оптикaлық түрге aйнaлaды. Сондықтaн кеңжолaқты тaлшықты-
оптикaлық сигнaл күшейткішін құру міндеті тұрды.
Осы сaлaдaғы интенсивті зерттеулер екі перспективті құрылғылaрдың
жaсaлуынa әкелді. Солaрдың біріншісі – эрбийлі тaлшықты күшейткіш (EDFA).
Оның aртықшылығы – жоғaры эффективтілігі және спектрaлды күшейту жолaғының
тaлшықты световодтaрдың төмен оптикaлық шығынды aймaғымен дәл келуі. EDFA
1,5 мкм толқын мaңaйындa жұмыс істейтін ТОБЖ-нің жaңa буындaрының пaйдa
болуынa себептесті. Бірaқ эрбийлі күшейткіштің кемшіліктері де тaбылды,
соның ішінде aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын шектитін 1530-дaн 1610 нм-ге
дейінгі, яғни мaксимум 80 нм болaтын тaр күшейту жолaғы. Ал жaрықтың
мәжбүрлі комбинaциялық шaшырaу (МКШ) эффектін пaйдaлaнa отырып жaсaлғaн
бaсқa құрылғы – МКШ тaлшықты күшейткіш (RFA). Ол кез келген толқын
ұзындығындa aйтaрлықтaй кең күшейту жолaғын aлуғa мүмкіндік береді. EDFA-ге
қaрaғaндa RFA-дің эффективтілігі жоғaры емес, дегенмен ол коммерциялық ТОБЖ-
де қолдaнылaды.
Тaғы бір жaрқын нәтиже кaнaлдaрды спектрaлды тығыздaуды қолдaну болды.
Оның мәні оптикaлық күшейткіштің (ОК) мүмкіншіліктері шегінде бірмодaлы
тaлшықты световод тaсушы сәулеленудің әр түрлі ұзындықтaры бaр шaмaмен 100
тәуелсіз кaнaлдaр aрқылы aқпaрaт жіберу үшін тaсымaлдaушы мaтериaл ретінде
қызмет етуінде. Мұндaй жүйелерде aқпaрaтты жіберудің толық жылдамдығы nb-ғa
тең, мұндaғы n – кaнaлдaр сaны, b – бір спектрaлды кaнaл aрқылы ақпaрaтты
жіберу жылдaмдығы. Егер бір кaнaл aрқылы 10 Гбитс (1 Гбит = 109 бит)
жіберіледі деп есептесек, aл кaнaлдaр 100, ондa толық жылдaмдық 1 Тбитс-ты
(1 Тбит = 1012 бит) құрaйды.
Қaзіргі уaқыттa бір спектрaлды кaнaл aрқылы aқпaрaтты жіберудің
стaндaртты жылдaмдығы 40 Гбитс-ты құрaйды. Осы шaмaны 100 Гбитс-қa және
одaн дa көпке дейін aрттыру бойыншa жұмыстaр жүргізілуде, aл кaнaлдaр сaны
100-ден aсaды, сондықтaн коммерциялық бaйлaныс жүйелерінде бір тaлшықты
световодтың өткізу қабілеті 10 Тбитс-қа, aл экспериментaлды 100 Тбитс-қа
дейін жететіндей болды. Бұл тaң қaлaрлықтaй жоғaры көрсеткіштер! Aлaйдa
зaмaнaуи қоғaмның aқпaрaттық қaжеттіліктері әрдaйым өсу үстінде екенін
ұмытпaу керек (дaмығaн елдерде жылына 30-40%-ғa). Осындaй және бұдaн дa
жоғaры динaмикa aлдaғы жылдaрдa сaқтaлуы мүмкін. Бұғaн, мысaлы, 2013 ж.
қaрaшa aйындa “Optics and Photonics News” журнaлындa жaриялaнғaн
ElectroniCast Consultants aмерикaндық фирмaсының болжaмы куә болa aлaды.
Жоқ дегенде, 2017 ж. дейін телекоммуникaциялық қолдaнылымдaрмен бaйланысты
оптикaлық тaлшықтaрдың әлемдік нaрығы жылынa 50%-дaн aртық өседі деп
күтілуде.
Дaмығaн елдердің aқпaрaттық қaжеттіліктерінің осылaй күрт өсуі немен
бaйлaнысты? Ең aлдымен, Ғaлaмтор пaйдaлaнушылaр сaнының өсуімен. Әрі ондaғы
бaсым мaңыздылықты видеоaқпaрaт иеленеді (әсіресе, бұл әлеуметтік желілерге
қaтысты), aл бұл жіберілетін сигнaлдaрдың өте сыйымдылықты бөлігі. Әр түрлі
мәліметтердің үлкен aғымдaрын экономикa, білім беру және ғылым, сондaй-aқ
климaттың жaһaнды өзгеруі, экология және т. б. сияқты әлемдік проблемaлaрды
шешу әрекеттері тaлaп етеді. Бірaқ ең үлкен aқпaрaттық aғын зaмaнaуи
мемлекеттік инфрaқұрылымды құру үшін қажет болуы мүмкін. Терaбитті тaлшықты-
оптикaлық желілер aдaмның жүйке жүйесі тәрізді мемлекеттің бaрлық
оргaндaрының эффективті жұмыс істеуін қaмтaмaсыз ететін дaмығaн қоғaмның
өзіндік жүйке жүйесіне aйнaлды.
Егер aқпaрaттық қaжеттіліктердің осылaй өсуі сaқтaлсa, ондa 10 жылдaн
кейін тaлшықты световод бойыншa aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын ~1 Пбитс (1
Пбит = 1015 бит), aл 20 жылдaн кейін 100 Пбитс деңгейіне дейін aрттыру
қaжеттілігі туындaйды. Aлaйдa стaндaртты бірмодaлы шыны световодтaрды
қолдaнa отырып, мұндaй міндетті орындaй aлмaймыз, өйткені олaр тек белгілі
бір, әйтсе де aйтaрлықтaй жоғaры жылдaмдықтa (100 Тбитс-тaй) идеaлды
тaсымaлдaушы ортa болып тaбылaды. Олaрды aры қaрaй өсіруде шектеулер болa
бaстaйды: сызықсыздық, дисперсия және тaлшықты шыны световодтaрдың
оптикaлық шығындaры. Тaғы бір шектеу, ертерек aйтып өткендей, эрбийлік
тaлшықты күшейтіштердің күшейту жолaғының aйтaрлықтaй жіңішке болуымен
бaйлaнысты.
Жоғaры aқпaрaттық сыйымдылығы бaр световодтaрды жaсaудың жaңa aмaлдaры
қaндaй? Қaзіргі кезде әлемде тaлшықты световод бойыншa aқпaрaтты жіберу
жылдaмдығының 100 Тбитс-қa тең жеткен шегін өту жолдaры интенсивті
қaрaстырылудa. Бұл мәселені шешуде үш жолғa aйрықшa нaзaр aудaрылaды.
Біріншіден, aуa өзекшесі бaр световодты жaсaу – одa оптикaлық шығындaр aз.
Екіншіден, aқпaрaтты жіберу үшін спектрaлды aймaқты кеңейту. Ол эффективті
тaлшықты күшейткіштерді жaсaуғa әкеледі. Соңғысы – кaнaлдaрды кеңістікті
тығыздау.
Осы бaғыттардaғы зерттеулерде aлынғaн нәтижелерді қысқaшa тaлқылaйық.
1960 жылдaрдaғы эксперименттерде лaзер сәулеленуі көмегімен бос aтмосферa
aрқылы aқпaрaтты жіберуде, оның метеорологиялық шaрттaр, кеңістік және
уaқыт бойыншa оптикaлық шығындaрдың тұрaқсыздығы және өзінің тығыздығы үшін
қажетті жіберуші ортa болмaйтындығы aнықтaлды. Сонымен қатар сызықсыздық,
дисперсия және оптикaлық шығындaр сияқты aуa aтмосферaсының пaрaметрлері
шыны тaлшықты световодтaрдікіне қaрaғaндa бірқaтaр aзырaқ болaды. Aлaйдa
өзінің пaрaметрлерін тұрaқты ұстaп тұру үшін aтмосферa бос болмaу керек.
Сондықтaн сыртқы әрекеттерден оңaшaлaнғaн болaтын aуa өзекшесі бaр тaлшықты
световодтaрды жaсaу идеясы пaйдa болды. Фотон кристaлы түріндегі шыны
қaбықшa бұл жaғдaйдa жaрықтың өзекше бойынша тaрaлу механизмін қaмтaмaсыз
етеді. Осындaй световодтaр жaсaлынды және олaрдың сипaттaмaлaры жaн-жaқты
зерттелді (2005 ж. aмерикaндық “Optics Express” журнaлындa (т. 13, №1)
жaриялaнғaн П. Робертстің және aвторлaстaрдың мaқaлaсы (Ұлыбритaния)).
Шындығындa, қaзіргі уaқыттa олaрдaғы минимaлды оптикaлық шығындaр 1,2 дБкм-
ді құрaйды, ол жaй тaлшықты шыны световодтaрдaғыдaн aйтaрлықтaй жоғaры (1,5
мкм толқын ұзындығындa 0,2 дБкм). Бұл мәселені шешу фундаментaлды
зерттеулерді одaн әрі жүргізуді тaлaп етеді, ал әзірге мaмандaр мен
ғaлымдaр aқпaрaтты жіберу жылдaмдығын aрттырудың бaсқa жолдaрын
іздестіруде.
Мүмкін болaтын aмaлдaрдың бірі – оптикaлық шығындaр минимум болaтын
спектрaлды aймaқты кеңейту. Оның пaрaметрлері белгілі: 1300-ден 1700 нм-ге
дейінгі интервaлдa мұндaй шығындaр 0,35 дБкм-ден aздaу болaды. Өкінішке
орaй, бұл спектрaлды aймaқ үшін әзірге тaлшықты-оптикaлық күшейткіштер жоқ.
Олaрды жaсaу – негізгі мәселе.
2005 жылы тaлшықты оптикaның РAН ғылыми ортaлығындa Г. Г. Девятых РAН
aтындaғы aсa тaзa зaттaр химия Институтымен (Төменгі Новгород) бірге әлемде
бірінші рет висмутпен легірленген тaлшықты световодтaрдың жaсaлу
технологиясы дaйындaлды. Олaрдың люминесценция спектрі көрсетілген
спектрaлды aймaқты жaбaды. Сол жылы осы ғылыми ұжымдaрмен 1150-1300 нм
aймaғында үздіксіз генерaциялaнaтын висмутты тaлшықты лaзер бірінші рет
көрсетілді, aл кейінірек 1150-1550 нм спектрaлды aймaқтa генерaциялaнaтын
висмутты тaлшықты лaзерлердің тобы жaсaлды. Жaңa перспективті aктивті
ортaны қолдaну 1300-1500 нм спектрaлды aймaқ үшін эффективті тaлшықты
күшейткіштерді жaсaудa aлғaшқы қaдaмды бaсуғa мүмкіндік берді. 1425-1465 нм
спектрaлды aймaқ үшін бірінші рет 1310 нм толқындa 65 мВт қуaты бaр лaзерлі
диодтың сәулеленуімен толтырғaндa мaксимaлды күшейту коэффициентін 25 дБ
көрсететін висмутты тaлшықты күшейткіш жaсaлды.
Соңғы жылдaры мaмaндaрдың көп нaзaрын aудaртқaн aқпaрaтты жіберу
жылдaмдығын aрттырудың тaғы бір жолы – көпөзекшелілерді жaсaу жолымен
кеңістікті тығыздaу, сонымен қaтaр әрбір модa тәуелсіз кaнaлдaрдың
тaсымaлдaушысы болып табылатын аз модалы талшықты световодтарды жасау.
Қaзіргі уaқытта көпөзекшелі тaлшықты световодтaрдың бірқaтaры жaсaлған және
зерттелген, жеті, он екі, он тоғыз өзекшелі тaлшықты световодтaрды қосa
aлғaндa. Олaрғa қойылaтын техникaлық тaлaптaр мынaлaрды қосaды: бaрлық
өзекшелердің төмен оптикaлық шығындaры, көршілес өзекшелер aрaсындaғы төмен
тоғыспaлы кедергілер және осындaй световодтaрдың қaтты үлкен емес диаметрі
(қaбықшaның диaметрі ≤ 200 мкм). Тоғыспaлы кедергілердің шaмaсы көршілес
өзекшелер aрaсындағы қaшықтыққa тәуелді. Бұдaн бaсқa сыну көрсеткішінің
aрнaйы профилін тaңдaу aрқылы көршілес өзекшелерде оптикaлық өрістердің
бөгелуін aйтaрлықтaй aзaйтуғa болaды. Бұл, әрине, тоғыспaлы кедергілерді
aзaйтaды.
2012 жылы оптикaлық бaйлaныс бойыншa 38-ші Европaлық конференциядa
көпөзекшелі тaлшықты световодтaрды, сәйкес тaлшықты-оптикaлық
күшейткіштерді жaсaу нәтижелері және aқпaрaтты кaнaлдaрды кеңістікті
тығыздaу aрқылы жіберу aмaлдaры баяндaлды. Сонымен, жaпондық зерттеуші
Кaцунори Имaмурa aвторлaстaрмен бірге қaбықшaның диaметрі 186 мкм және
көршілес өзекшелер aрaсындaғы қaшықтық 55 мкм болaтын жеті өзекшелі
тaлшықты световод ұсынды. 100 мкм световод ұзындығындa тоғыспaлы кедергілер
40 дБ-ді құрaйды.
Aқпaрaтты aлыс қaшықтықтaрғa (≥ 100 км) жіберу үшін көпөзекшелі
тaлшықты световод түріндегі жіберу ортaсын құру сәйкес ОК-ді жaсaуды тaлaп
етеді. Ёкихиро Цучидa aвторлaстaрмен бірге (Жaпония) сол конференциядa жеті
өзекшелі эрбийлі тaлшықты күшейткіштің пaрaметрлерін көрсетті. Световодтың
ұзындығы – 16 м, диaметрі – 180 мкм, эрбиймен легірленген өзекшелер
aрaсындағы қашықтық – 45 мкм. Aлынған нәтижелер: 40 мВт толтырғaндa күшею
15 дБ, шуыл-фaкторы ˂ 7 дБ, тоғыспaлы кедергілер ˂ −40 дБ.
Aл Хиденори Тaкaхaши aвторлaстaрмен бірге (Жaпония) сигнaлды
кaнaлдaрды кеңістікті тығыздaу aрқылы жібергендегі (жеті өзекшелі тaлшықты
световод) және 6160 км aрaқaшықтыққa 35,8 Тбитс жылдaмдықтa жеті өзекшелі
эрбийлі күшейткішпен жібергендегі бірінші көрсетілімнің нәтижелерін
бaяндaды. Сонымен бірге световодтың әрбір өзекшесіне aқпaрaтты жіберу
жылдaмдығы 128 Гбитс болaтын 40 спектрaлды кaнaлдaр енгізілді.
Осы конференциядa aйтылғaн ең керемет нәтижеге aқпaрaтты он екі
өзекшелі световод aрқылы 1,01 Пбитс жылдaмдықпен 52 км қaшықтыққa жіберу
жaтaды (Хидехико Тaкaрa aвторлaстaрмен бірге). Бұл тәжірибеде 12 өзекшенің
әрбіреуіне әрқaйсысының aқпaрaтты жіберу жылдамдығы 456 Гбитс болaтын 222
спектрaлды кaнaл енгізілді. Кaнaлдaрдың тaсушы сәулеленуі 1526,44-1565,09
нм және 1567,95-1620,06 нм болaтын спектрaлды aймaқтaрды aлды, сонымен
бірге көршілес кaнaлдaрдың тaсушы сәулелену жиіліктері 50 ГГц-ке қaлып
отырды.
Көрсетілген нәтижелер тaлшықты световодтaрдың aқпaрaттық сыйымдылығын
петабиттік деңгейге дейін aрттыру үшін кaнaлдaрды кеңістікті тығыздaуды
қолдaну перспективтілігін aңғaртaды. Aқпaрaтты жіберудің петабиттік
жүйелерінің құрылуы және петaфлопты суперкомпьютерлердің жaсaлуы aқпaрaтты
өңдеу, жіберу және қолдaну сферaсында aдaмзaт Петa-дәуірі жолындa екендігін
білдіреді.
1.2 Спектралды тығыздайтын талшықты-оптикалық ақпараттық-өлшеу
жүйелерінің құрылуына талаптар
Ақпараттық-өлшеу жүйелері (АӨЖ) өлшеу құралдарының, есептегіш және
қосымша құрылғылардың функционалды біріккен жиынтығы, сондай-ақ бақылаудағы
объектіні қажетті ақпаратты қызметпен қамтамасыз ететін, сонымен қоса өлшеу
ақпаратын автоматтандырылған түрде жинау, өңдеу, жіберу және сақтауды
жүзеге асыратын байланыс каналдары (желілері) болып табылады. Ақпаратты
жіберуде физикалық орта ретінде талшықты световодтарды (оптикалық
талшықтарды), ал сәулелену көздері ретінде лазерлерді қолдану электрлік
кабельдер негізіндегі жүйелермен салыстырғанда бірқатар жаңа
сипаттамалармен қамтамасыз етеді. Солардың негізгілеріне үлкен көлемдегі
деректерді жіберу талаптарының орындалуын қамтамасыз ететін, жіберілетін
ақпараттың жоғары жылдамдығы мен растылығын қамтамасыз ететін жіберу
ортасының кеңжолақтығы мен кедергіге тұрақтылығы жатады. Егер талшықты-
оптикалық жүйе тек жіберу функциясын ғана емес, өлшеу ақпаратын қабылдау
функциясын атқарса, онда оның құрамына сәйкес талшықты-оптикалық датчиктер
кіруі керек.
Толқын ұзындықтары бойынша бөліп спектралды тығыздайтын технология
(WDM) оптикалық талшықтың өткізу жолағын кеңейтіп қолданудың негізі болып
табылады. Бұл технологияны қолдану бір уақытта әр түрлі толқын
ұзындықтарымен бір талшық арқылы әр түрлі ақпарат ағындарын (аналогті, ЖЖ,
АЖЖ және сандық) жіберуге мүмкіндік береді. ОК жасалмай тұрғанда ақпаратты
тек қысқа арақашықтықтарға жіберу мүмкін болды (бірнеше ондаған километрге
дейін). Спектралды тығыздау технологиясының дамуымен қатар жіберілетін
ақпараттың қашықтығын арттыру мәселесі талшықтағы шығынды азайту есебінен
және күшейткіш-ретрансляторларды қолдану жолымен шешілді. Бар электронды-
оптикалық күшейткіштердің жетілуі шалаөткізгішті лазердің сәулесін толтыру
арқылы эрбиймен легірленген активті оптикалық талшық негізінде жасалған
кванттық ОК пайда болғаннан кейін тоқтады. Осындай Брэгг торы бар
күшейткіштердің пайда болуы спектралды тығыздау құрылғылары жұмыс істейтін
күшейткіштерді кеңжолақты етуге және сигналды толқын ұзындықтарының барлық
диапазонында күшейтуге мүмкіндік берді. Олар ретрансляторлар ретінде,
сондай-ақ жіберуші модульдің шығысы немесе қабылдаушы модульдің кірісіне
орнатылуы мүмкін.
Каналды жоба негізіндегі WDM жүйелерінің классификациясы:
1. Жай WDM (CWDM) – 200 ГГц-тен кем емес каналдарды тарататын жүйелер,
олар 16 каналға дейін мультиплекстеуге мүмкіндік береді;
2. Тығыз WDM (DWDM) – 100 ГГц-ке дейінгі каналдарды тарататын жүйелер,
олар 64 каналға дейін мультиплекстеуге мүмкіндік береді;
3. Жоғары тығыздықты WDM (HDWDM) – 50 ГГц және одан аз каналдарды
тарататын жүйелер, олар 64-тен кем емес каналдарды мультиплекстеуге
мүмкіндік береді.
Жалпы түрде көпканалды спектралды тығыздайтын талшықты-оптикалық АӨЖ-
нің құрылымдық сұлбасын сурет 1.1-де келтірілген схема түрінде көрсетсе
болады.
Сурет 1.1. Байланыс каналдары спектралды тығызданған талшықты-
оптикалық АӨЖ-нің блок-схемасы
Жүйе сурет 1.1-де көрсетілген белгілеулер бойынша келесідей құрылымдық
элементтерден тұрады: Л – лазерлер, И – деректер ағынының (ақпарат) көзі, М
– модуляторлар, ҚОК – қуатты оптикалық күшейткіш (бустер), ОК – кванттық
оптикалық күшейткіш, Д – фотодетекторлар. Көпканалды талшықты-оптикалық АӨЖ-
нің ең маңызды элементтеріне мультиплексор-демультиплексор жұбы жатады.
Ақпарат көзінен шыққан әрбір сигнал және λ1, λ2, ..., λn толқын
ұзындығы бар сәйкес лазер сигналы модуляторға түседі. Одан кейін
модулятордан өзгеріп шыққан сигналдар мультиплексорға түседі, онда
сигналдардың спектралды тығыздануы болады. Мультиплексордың шығысынан керек
қашықтыққа жібере алатын тығызданған сигналдарды аламыз.
Оптикалық талшықтың белгілі бір сөну коэффициенті болатыны белгілі,
сондықтан біраз арақашықтықтан кейін сигнал күшейткішін қою керек. Бірақ
күшейткіш сигналдың формасын қалпына келтірмейді, сол үшін сигналды 1000 км-
ден асатын арақашықтықтарға жібергенде сигналдың формасын қалпына
келтіретін регенератор қою қажет. Желінің басқа соңында жіберілген
сигналдарды сәйкес фотоқабылдағыштар немесе каналдық толқын арналарына
бөлетін демультиплексор болады.
Сурет 1.1-де көрсетілгендей, мультиплексор бірнеше тасымалдаушы толқын
ұзындықтарын (каналдарды) бір ақпараттық ағынға біріктіретін құрылғы рөлін
атқарады. Ал демультиплексор болса, кері операцияны орындайды. Ол бір
ағынға біріккен әрбір толқын ұзындығын бөліп, сәйкес каналға жіберуі тиіс.
Диэлектрлік ортада оларға тән оптикалық толқындардың өзара қасиеттерінің
арқасында бұл құрылғылар қосылу әдісіне байланысты мультиплексорлар және
демультиплексорлар ретінде қолданылуы мүмкін.
АӨЖ-гі нақты белгілеулерге байланысты ақпаратты жіберу үшін жақын ИҚ-
диапазондағы оптикалық сәулеленудің толқын ұзындықтары қолданылуы мүмкін:
0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм, сонымен қатар көрінетін диапозонда: 0,5-0,7
мкм. Теория жүзінде 0,5-тен 1,8 мкм-ге дейінгі кез келген толқын
диапазонында жіберуге болады, бірақ сөну бойынша тәжірибелік шектеулерді
спектралды мультиплекстеу жүйелеріне қолдануға 1300 және 1550 нм толқын
ұзындығы шамасындағы тар диапазонды қалдырады. Дегенмен, осы диапазондардың
өзі деректерді жіберу үшін өте үлкен мүмкіндіктерді ұсынады (200 каналға
дейін). Қазіргі кезде спектралды мультиплекстеу технологиясы көбінесе кең
өткізу жолағы қажет ұзын торапты байланыс желілерінде қолданылады. Қалалық,
локальді және ішкі объектілі желілер спектралды тығыздау технологиясын
қолдануға перспективті болып табылады.
АӨЖ-де қолданылатын оптикалық талшықтар екі топқа бөлінеді: бірмодалы
және көпмодалы, ал көпмодалы өз кезегінде сыну көрсеткішінің профилі сатылы
және градиентті талшықтарға бөлінеді.
Бірмодалы оптикалық талшықтарда өзекшенің диаметрі Dc жіберілетін
оптикалық сәулеленудің толқын ұзындығымен өлшемдес (Dc = 6-10 мкм), бұл тек
бір моданың ғана тарауын қамтамасыз етеді (белгілі бір қатынаста және
кеңістікте өзара орналасқан өрістің магниттік құраушысы H және электрлік
құраушысымен E сипатталатын электромагнитті толқын тәрізді). Дисперсия
шамасының аздығы және осымен байланысты бірмодалы талшықтардың жоғары
кеңжолақтылығы (~1000 ГГц·км), олардың алыс торапты (магистральді)
ақпаратты жіберудің талшықты-оптикалық жүйесін құруда көптеп қолданылуына
себепші болды.
Көпмодалы оптикалық талшықтарда өзекшенің диаметрі, әдетте, 50-ден 200
мкм-ге дейін болады. Сонымен бірге оптикалық талшықта модалардың көптеген
саны M тарайды (жүзден мыңға жуық), ал ол келесі қатынастармен анықталады:
; (1.1)
,
(1.2)
мұндағы V – толқын арнасының параметрі, Dc – талшықтың өзегінің
диаметрі, λ – толқын ұзындығы, nc – талшықтың өзегінің сыну көрсеткіші, n0
– талшықтың қабықшасының сыну көрсеткіші.
Көпмодалы талшықтарда бірмодалы талшықтармен салыстырғанда жоғары
дисперсия мен төмен өткізу жолағы болады (200-800 МГц·км). Осыған
байланысты көпмодалы талшықтарды негізінен талшықты-оптикалық АӨЖ-не тән
салыстырмалы түрде қысқа (бірнеше километрге дейін) ақпаратты жіберу
желілерін құруға қолданған жөн.
Бірмодалыларға қарағанда көпмодалы оптикалық талшықтардың келесідей
артықшылықтары бар:
- сәулелендірушілерге талаптар азаяды – сәулені кірістіру үшін арзан,
сонымен қоса қуатты шалаөткізгішті лазерлер және жарық шығарушы
диодтар қолданылуы мүмкін;
- қабылдаушы оптикалық модульде жоғары сезгіштігі және арзан бағасы бар
фотосезгіш аумағының диаметрі үлкен фотодиодтар қолданылуы мүмкін;
- көпмодалы талшықтарды ұлғайтқанда керек шет жақтардың сәйкес келу
дәлдігі бірмодалы талшықтарды ұлғайтқандағыдан бірқатар төмен;
- ажырайтын жалғағыштарға да қойылатын талаптар ұлғайтқан кездегі
себептердегідей, бірмодалы талшықтарға арналған оптикалық ажырайтын
жалғағыштарға қарағанда біршама азырақ.
Жоғарыда аталған көпмодалы оптикалық талшықтардың артықшылықтары
есебінен оларды жылжымалы объектілердің аппаратураларына тән қатаң
пайдалану шарттарымен жұмыс істейтін АӨЖ-де қолдану айрықша маңызды.
Дегенмен, бірмодалы талшықтардың да артықшылықтарын ұмытпау керек және АӨЖ-
ін құрарда талшықтың типін таңдау кезінде ойлану керек.
Сонымен, қолданыстағы түрлі талшықты-оптикалық АӨЖ-нің басым көпшілігі
көпмодалы оптикалық талшықтар негізінде құрылады. Талшықты-оптикалық АӨЖ-де
оптикалық талшық арқылы жіберілетін оптикалық сәулелену ағындарын бөлу және
біріктіру үшін арнайы интегралды-оптикалық кұрылғыларды – өзара қайтымды
мультиплексор-демультиплексорларды құру қажет. Жүйенің тағайындалуына
байланысты оптикалық полюстер (каналдар) санымен, оптикалық талшық типімен
ерекшеленетін мультиплексор-демультиплексорлардың әр түрлері керек.
Талшықты-оптикалық АӨЖ-де N×1 және 1×N (N – кірісшығыс оптикалық полюстер
саны) жіберу матрицасы бар мультиплексор-демультиплексор қолданылады.
1.3 Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары – мультиплексорлар мен
демультиплексорлар
Оптикалық мультиплексорлар мен демультиплексорлар бірнеше толқын
ұзындықтарында жіберілетін оптикалық сигналдарды біріктіру немесе бөлу үшін
арналған. Световодты жүйелерде олар кіріс және шығыс талшықты
световодтармен өзара келіскен болу керек.
Спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары оптикалық каналдар санымен,
әрбір каналдағы оптикалық шығындармен, тоғыспалы кедергілермен, өткізу
спектрінің кеңдігімен және тасымалдаушылардың спектралды бөлінуімен,
сонымен қатар параметрлердің тұрақтылығымен, сенімділікпен және
технологиялылығымен сипатталады. Әрбір каналдағы оптикалық шығындар және
тоғыспалы кедергілер сәйкес келесі формулалармен анықталады:
; (1.3)
, (1.4)
мұнда l, k = 1, 2, ..., n.
Мультиплексорлар мен демультиплексорлардың негізгі функционалды
элементтеріне спектралды-селективті (дисперсионды) элементтер жатады.
Спектралды-селективті элементтер ретінде призмалар, дифракционды торлар
немесе интерференциялық фильтрлер қолданылады. Призмалар мен дифракционды
торлар негізіндегі құрылғылар тасымалдаушыларды параллель бөлуді қамтамасыз
етеді, сондықтан оптикалық каналдардың санын арттырғанда оптикалық шығындар
күрт артпайды. Интерференциялық фильтрлер негізіндегі құрылғылар
тасымалдаушыларды тізбекти бөлуді қамтамасыз етеді және олардың санының
артуымен оптикалық шығындар өседі. Дегенмен, бүгінгі күнде төрттен аз
каналдары бар интерференциялық фильтрлер негізіндегі құрылғылар ең аз
оптикалық шығындармен қамтамасыз етіп отыр.
Сурет 1.2. Интерференциялық фильтрлер негізіндегі спектралды біріктіру-
бөлу құрылғылары: а – талшықты световодтың жатық шетінде, б – сфералық
линзаларды пайдаланумен, в – градиентті өзекше тәрізді линзаларды
қолданумен, г – үшөлшемді интегралды линзаларды пайдаланумен
Интерференциялық фильтрлер негізіндегі мультиплексорлар мен
демультиплексорлар тікелей талшықты световодтар негізінде микрооптикалық
элементтерді қолдану арқылы жасалған. Талшықты технологияны қолдануда
көпқабатты интерференциялық жабындарды талшықты световодтың жатық шет
жағына пайдаланады (сурет 1.2, а). Көпмодалы талшықты световодтар
негізіндегі осы типтегі құрылғылардың айтарлықтай аз оптикалық шығындары
болады (1-2 дБ). Сәулеленудің тарауынан болатын оптикалық шығындарды
талшықтардың шет жақтарында линзаларды қолдану арқылы азайтады. Шағылудың
нәтижесінде пайда болатын шығындарды талшықты световодтар арасындағы
саңылауда оптикалық клейді қолдану арқылы азайтса болады. Құрылғыларда ~20
дБ деңгейдегі тоғыспалы кедергілер түзу каналда және ~12 дБ шағылған
оптикалық сигналдан пайда болған каналда болады. Соңғысы да 20 дБ-ге дейін
азаюы мүмкін, егер талшықты световодтың шет жағына шағылған сәуле түсетін
қосымша фильтр қойса. Бірақ әр түрлі оптикалық диапазондары бар
тасымалдаушыларды (0,8-0,9 және 1,2-1,3 мкм немесе 0,8-0,9 және 1,5-1,6
мкм) спектралды тығыздағанда бұның қажеті жоқ, өйткені каналдар арасындағы
қосымша шешімдер фотодетекторлардың спектралды-селективті қасиеттерімен
қамтамасыз етіледі. Фильтрлердің шашыраған сәуле бағытталған жаққа бұрыштай
орналасуы тасымалдаушыларды тіркеуді шектейді (~50 нм), сондықтан бір
оптикалық диапазонның ішінде екіден көп тасымалдаушыларды эффективті
біріктіру (бөлу) қамтамасыз етілмей отыр. Осы типті құрылғылар спектралды
кеңжолақты (100-300 нм) болады. Ол сәулелену көздерін сәуле толқынының
ұзындығына арнайы тұрақтандыру шараларын жүргізбей қолдануға мүмкіндік
береді.
Микрооптикалық коллимирлеуші және фокустаушы элементтерді қолдануға
коллимирленген сәулеге перпендикуляр және 45° бұрышпен орналасқан
фильтрлері бар мультиплексорлар мен демультиплексорлар жасалған. Бұл
құрылғылардың конструкциясы мен технологиясы (сурет 1.2, б) микрооптикалық
тармақтаушыларға аналог болып табылады. Түскен сәулеге фильтр 45° бұрышпен
орналасатын құрылғылардың параметрлері талшықты құрылғылардың
параметрлеріне жақын болады. Олардың негізгі артықшылықтарына
конструкциясының оңайлығы және технологиялылығы, сонымен қатар аз оптикалық
шығындары жатады.
Интерференциялық фильтрлері коллимирленген сәулеге перпендикуляр
орналасатын құрылғыларда өткізу спектрінің кеңдігі бірнеше нанометрге дейін
азаюы мүмкін. Ол 0,8-0,9; 1,2-1,3; 1,5-1,6 диапазондарының біреуінде он
тасымалдаушыларға дейін біріктіру-бөлуді жүзеге асыруға мүмкіндік береді
(сурет 1.2, в). Бірақ өткізу спектрінің кеңдігін 15 нм-ден кем жасау және
төрттен көп тасымалдаушылары бар фильтрлер негізіндегі құрылғылар көмегімен
тығыздау қолайсыз. Жоғарыда айтылғандай, каналдар саны төрттен көп кезінде
тасымалдаушыларды тізбекти бөлу едәуір оптикалық шығындарды тудырады. Бұдан
басқа бір диапазонда төрт тасымалдаушылардың өзін қамтамасыз ету үшін
қосымша энергетикалық шығындарды туғызатын лазерлерді және сәулелену
толқынының ұзындығын тұрақтандырушы, мысалы, термотоңазытқыштар қолдануды
талап етеді.
Коллимирлеуші элементтер ретінде үшөлшемді интегралдаушы линзалар
қолданылатын құрылғылар перспективті болып табылады (сурет 1.2, г). Бұл
жағдайда габаритті өлшемдер едәуір кішіреюі, конструкциясы оңайлануы және
топтық дайындау технологиясы қолданылуы мүмкін.
Сурет 1.3. Дифракциялық торлар негізінде спектралды бөлу
Дифракциялық торлар негізінде спектралды бөлетін құрылғыларда
сәулеленуді коллимирленген сәулеге түрлендіру міндетті (сурет 1.3).
Коллимирлеуші элементтер ретінде жоғары сапалы объективтер, градиентті
өзекше тәрізді линзалар, толқын арнасының пластиналары, сфера тәрізді
айналар және т. б. элементтер қолданылады. Бірқатар микрооптикалық
құрылғылар жасалған және де планарлы құрылғыларды жасау жүруде.
Жоғары сапалы объективтерді және жазық дифракциялық торларды
қолданатын құрылғылардың жақсы оптикалық параметрлері болады. Бірақ бұндай
құрылғылардың конструкциясы қажетті қаттылыққа ие емес және олардың
параметрлері сыртқы әсерлерге қатты тәуелді.
Жақсы параметрлерге сонымен қатар бір уақытта сәулеленуді фокустау
үшін қызмет ететін ойыс дифракциялық торды пайдаланумен қол жетті. 700-900
нм диапазонда 2,5 дБ шығындармен және 30 дБ деңгейдегі тоғыспалы
кедергілермен он каналға бөлу жүзеге асты (талшықтың өзекшесінің диаметрі
60 мкм және қабықшасының диаметрі 250 мкм болғанда). Дифракциялық тор ЭЕМ-
мен басқарылатын арнайы машинада кесілген, әрі дифракциялық эффективтілікті
68%-ға жеткізу үшін штрихтар айнымалы периодпен кесілген және жарқырау
бұрышы тордың үш аймағында әр түрлі болған. Осындай құрылғының
кемшіліктеріне дифракциялық торды дайындау күрделілігі және сәулеленудің
талшықты световодтар мен торлардың арасында еркін таралуы жатады.
Коллимирлеуші элементтер ретінде градиентті өзекше тәрізді линзаларды,
световодты пластиналарды және цилиндр немесе сфера тәрізді айналары бар
световодты өзекшелерді қолдану сәулеленудің еркін таралуын болдырмайды және
осымен конструкцияның қатты болуын қамтамасыз етеді. Осы элементтерді әр
түрлі каналдар саны мен оптикалық диапазондар үшін қолданатын құрылғылардың
бірнеше типі жасалған.
Дифракциялық торлар негізінде қатты конструкцияға ие және 1-3 дБ
оптикалық шығындары мен 20-30 дБ тоғыспалы кедергілері бар 5-10 каналдарды
бөлуді қамтамасыз ететін спектралды бөлетін микрооптикалық құрылғылардың
бірқатар типтері жасалған. Бұндай құрылғыларды пайдаланғанда болатын
белгілі қиындықтар спектралды жолақтың кіріс және шығыс талшықты
световодтардың өзекшелерінің диаметрлері қатынасына тәуелді болуына
байланысты. Құрылғылардың барлық типтерінде өзекшесінің диаметрі 50 мкм
болатын кіріс световодтар, ал шығысында өзекшесінің диаметрі 100-300 мкм
болатын световодтар қолданылады. Бұл құрылғылар қайтымды емес, яғни
оптикалық сигналдарды спектралды біріктіруге қолданыла алмайды. Осының
нәтижесінде он каналды біріктіруге және оларды бөлуге кететін жалпы
оптикалық шығындар әжептеуір. Тар спектралдық диапазонда сәулелену
көздерінің толқын ұзындығын тұрақтандыру қажеттігі де көпканалды
құрылғыларды қолдануды тежейді.
Призмалар негізінде спектралды біріктіру және бөлу құрылғылары
призмалардың аз дисперсиясына және қатты конструкцияны қамтамасыз ету
қиындығына байланысты қолданыс таппады.
Планарлы световодтарды қолданумен спектралды біріктіру-бөлу
құрылғыларының бірқатар конструкциялары ұсынылған. Олардың кейбіреулерінде
планарлы световод оптикалық энергияны дифракциялық торға және коллимирлеуші
элементке (толқын арнасы пластинасының аналогы) жіберу үшін қолданылады.
Осындай құрылғылар өздерінің параметрлері бойынша микрооптикалық
аналогтарға жол береді. Құрылғылардың басқа типтерінде коллимирлеуші және
дисперсионды элементтерді тікелей толқын арнасының құрылымында жасайды,
мысалы толқын арнасы ретінде қолданылатын жұқа халькогенидті шыны
пленкаларда.
Сурет 1.4. Спектралды бөлу құрылғысы: 1 – оптикалық қосқыштың кабельді
бөлігі; 2 – спектралды бөлу құрылғысы
Si-SiO2-As2S3 құрылымын қолданғанда фотодетекторлары бар
демультиплексордың интеграциясын қамтамасыз етуге болады. Бұл құрылғы
(сурет 1.4) дифракциялық торлардың тізбекти қатарының әрекетіне негізделген
және 15 дБ тоғыспалы кедергіде сәулеленуді 0,63 және 0,83 толқын
ұзындықтарымен бөлуді қамтамасыз етеді.
Спектралды біріктіріп-бөлетін планарлы құрылғылар, селективті активті
мультиплексорлар және интегралды-оптикалық түрлендіргіштер салыстырмалы
түрде жақында жасала бастады. Бүгінгі уақытта бұндай құрылғыларды нақты
жүйелерде қолдануға қажетті параметрлердің мәндеріне қол жетпеді және
олардың дамуын болжау қиын.
Қазіргі таңда әр түрлі жүйелерде қолданылатын интерференциялық
фильтрлер негізіндегі екі-төрт каналда спектралды біріктіріп-бөлетін
құрылғылар жақсы дамыған. Бұл құрылғылардың маңызды артықшылығына оларды
кең сәулелену спектрі бар сәулелену көздерімен бірге қолдану мүмкіндігі
жатады.
Бес және одан да көп оптикалық тасымалдаушыларды ең жақсы
параметрлермен бөлуге дифракциялық торлар негізіндегі құрылғылар ие, бірақ
олардың қайтымсыздығымен және тар спектралды диапазонда сәулелену
көздерінің толқын ұзындықтарын тұрақтандыруға байланысты мәселелер әлі
шешімін таппады.
Спектралды тығыздайтын световодты байланыс жүйелерінде және световодты
өлшеуші жүйелерде талшықты фильтрлер қолданылуы мүмкін.
Сурет 1.5. Талшықты фильтрлер: а – диаметр модуляциясымен, б және в –
сәйкесінше қабықша мен өзекшедегі диэлекрлік өткізгіштіктің модуляциясымен,
г және д – сәйкесінше шығыс пен кіріс сәулеленуі
Талшықты фильтр өзекше немесе қабықшасының параметрлері (комплексті
диэлектрлік өткізгіштік, диаметр) Ʌ периоды бар световод осінің бойымен
периодты түрде модуляцияланған талшықты световодтың бөлігі болып табылады
(сурет 1.5, а).
Периодты модуляцияланған параметрлері бар световодтардың қатты
білдіретін селективті қасиеттері болады. Талшықты фильтрлердің
параметрлерімен анықталатын жиілігі тар спектралды диапазонда жатқан жарық
толқындары фильтрден қатты шағылуды көреді, бірақ басқа жиіліктермен
сәулеленуге фильтр мөлдір дерлік. Егер Брэгг шарты орындалса,
, (1.5)
мұндағы N = 1, 2, 3, ...; λ0 – вакуумдағы жарық ұзындығы; nэфф –
талшықты световодтың біршама модаларына арналған эффективті сыну
көрсеткіші, онда осы мода мен оған сәйкес кері бағытта таралатын мода
арасында мықты байланыс орнатылуы мүмкін. Бұл жағдайда талшықты фильтр λ0
толқын ұзындығы бар сәулеленуге шағылдырушы фильтр болып табылады.
Талшықты фильтрлердің басқа типті фильтрлерде жүзеге аспайтын бірегей
параметрлері болуы мүмкін. Ені 0,01 нм-ден кем толқын ұзындығының жолағында
интенсивтілік бойынша шағылу коэффициенті 0,9-дай болатын талшықты
фильтрлер жасалған. Талшықты фильтрлердің жоғары шағылу коэффициенті оларды
лазер резонаторында айна ретінде қолдануға мүмкіндік береді. Осындай
фильтрлер световодты өлшеуші жүйелерде температураның, қысымның, электрлік
және магнитті өрістердің датчиктері ретінде қолданылуы мүмкін.
Талшықты фильтрлердің сипаттамалары олардың физикалық параметрлерімен
анықталады (фильтр ұзындығымен, диэлектрлік өткізгіштіктің модуляция
тереңдігі және модуляция периодымен, т. б.). Периодты модуляцияланған
световодтарда жарықтың таралуын теориялық анализдеу үшін Брэгг шарттарынан
азғантай ауытқуларда дұрыс болатын эффективті жетілдірілген әдіс –
байланысқан толқындар әдісі жасалған.
Брэгг шарты орындалмайтын жағдай да спектралды тығыздайтын световодты
байланыс жүйелерін құру кезінде белгілі бір қызығушылықты тудырады.
Световодтың периодтылығы салдарынан оған тарайтын толқын қоршаған талшықты
световод ортасына световод осіне θm бұрыштармен шашырайды.
Бұрыштар мына қатынастардан анықталады:
, (1.6)
мұндағы m = 0, ±1, ±2, ...;; β – моданың талшықты световодта
тұрақты тарауы.
β k0sinθm екені белгілі, сондықтан θm нақты мәндерді тек m ˂ 0
кезінде қабылдай алады.
Ʌ-ның мәнін θm бұрышы тек бір мән үшін жарамды –m = −1 болатындай етіп
таңдауға болады. Бұл жағдайда β-1 шамасы, әдетте, ... 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