Оптические и волоконные материалы, волоконно-оптическая связь

Министерство  образования и  науки Российской Федерации

            Московский государственный  открытый университет

                                            Филиал в г. Александрове 

Факультет: МиЭП

Кафедра: Прикладная математика 
 

                             КУРСОВАЯ РАБОТА   

по  предмету: « Теоретические основы прогрессивных технологий »

на  тему: I. 1. Оптические и волоконные материалы,волоконно-оптическая связь. 

                                                                        Выполнил:

                                                                       Ивкова Анастасия Дмитриевна

                                                                                                     студент  1-ого курса, о/о,  

                                                                        спец.080502

                                                                        шифр:909326

                         

                                                                        Проверил: доцент кафедры ПМ,                                                          

                                                               к.ф.-м.н. Помчалов А.В.

                                                                                                                       

Александров  2010  
 
 
 
 

     Содержание 

Введение

1. Основная  часть

1. Волоконно-оптические линии связи как понятие

Физические  особенности

Технические особенности

Есть  в волоконной технологии и свои недостатки

Оптическое  волокно и его виды

Волоконно-оптический кабель

Электронные компоненты систем оптической связи

Лазерные  модули для ВОЛС

Фотоприемные  модули для ВОЛС

Применение  ВОЛС в вычислительных сетях

Заключение

Список  используемой литературы

 

      Введение 

     С начала развития компьютерной техники прошло немного немало шестьдесят лет. За это время мы получили такие скорости вычислений, такие скорости передачи данных, о которых шестьдесят лет тому назад нельзя было и мечтать. Все началось с того, что в 1948 году вышли книги К. Шеннона “Математическая теория связи” и Н. Винера “Кибернетика, или управление и связь в животном и машине ”. Они и определили новый вектор развития науки, в результате чего появился компьютер: вначале ламповый гигант, затем транзисторный и на интегральных схемах, на микропроцессорах. И вот в 1989 году появился персональный компьютер IBM. В том же году вышла программа MS – DOS, а в 1990 – Windows-3.0, и далее пошло стремительное совершенствование “железа” и программного обеспечения. К концу столетия человечество получило потрясающую миниатюризацию компьютерной техники, сокращения расстояния между компьютером и человеком, тотальное проникновение компьютерных технологий в бытовую сферу. 1986 год – рождение Интернета, глобальной сети, охватившей практически все страны мира, поставляющей каждому пользователю текущую информацию. Получив настолько быструю обработку данных, люди пришли к выводу, что можно перестать терять время и деньги, также на передачу этих данных, а также увеличить скорость доступа, и скорость передачу данных. Это стало возможным благодаря использованию новых видов связи, таких как оптическое волокно, пришедших на замену банальным алюминиевым и медным проводам.

     Тема  об оптоволоконной линии связи, является актуальной на данный момент времени, так как число людей на планете растет, и потребности в улучшение жизни то же увеличиваются. Ещё с древних времён человек совершенствуется: улучшает свои знания, стремится улучшить жизнь, создавая и моделируя предметы быта. И сейчас многие фирмы создают телевизоры, телефоны, магнитофоны, компьютера и многое другое, то есть – бытовую технику, которая упрощают жизнь человека. Но для внедрения этих новых технологий нужно изменять или улучшать старое. В пример этому можно привести наши линии связи на коаксиальном (медном) кабеле, про которые уже было упомянуто выше. Их скорость мала, даже для передачи видеоинформации. А волоконная оптика как раз то, что нам нужно - её скоростью передачи информации очень велика. Плюс, низкие потери при передаче сигнала позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования. Оптоволокно имеет хорошую помехозащищенность, легкость прокладки и долгие сроки работы кабеля практически в любых условиях. И, кроме того, оптоволокно не имеет смысла воровать с целью сдачи на металлолом. В настоящее время оптоволокно находит свое применение преимущественно в теле - и интернет – коммуникациях. Но считается, что сегодняшнее использование оптоволокна лишь вершина айсберга его применения.

 

     1. Волоконно-оптические  линии связи как понятие 

       

     Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при  котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным  под названием "оптическое волокно". Оптическое волокно в настоящее  время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. К примеру, В настоящее время волоконно-оптические кабели проложены по дну Тихого и Атлантического океанов и практически весь мир "опутан" сетью волоконных систем связи (Laser Mag.-1993.-№3; Laser Focus World.-1992.-28, №12; Telecom. mag.-1993.-№25; AEU: J. Asia Electron. Union.-1992.-№5). Европейские страны через Атлантику связаны волоконными линиями связи с Америкой. США, через Гавайские острова и остров Гуам - с Японией, Новой Зеландией и Австралией. Волоконно-оптическая линия связи соединяет Японию и Корею с Дальним Востоком России. На западе Россия связана с европейскими странами Петербург - Кингисепп - Дания и С.-Петербург – Выборг - Финляндия, на юге - с азиатскими странами Новороссийск - Турция. В Европе, также, как и в Америке, давно уже нашли широкое применение практически во всех сферах связи, энергетики, транспорта, науки, образования, медицины, экономики, обороны, государственно-политической и финансовой деятельности. Итак, основания считать оптоволокно самой перспективной средой для передачи больших потоков информации вытекает из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам. 
 

      2. Физические особенности

     Широкополосность  оптических сигналов, обусловленная  чрезвычайно высокой несущей  частотой. Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Терабит/с.

     Говоря  другими словами, по одному волокну  можно передать одновременно10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. А это означает, что до сих пор при столь сильной загруженности нашего интернета не нашлось столько информации, которая при одновременной передачи привела бы к уменьшению скорости передаваемого потока данных.

     Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Иными словами потеря сигнала за счет сопротивления материала проводника. Лучшие образцы российского волокна имеют столь малое затухание, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

               3. Технические особенности 

     Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в  отличие от меди, отсюда и сравнительно не большая цена и практически отсутствие случаев кражи с целью сдачи на металлолом

     Оптические  волокна имеют диаметр около 1 – 0,2 мм, то есть очень компактны  и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

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

     Системы связи на основе оптических волокон  устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи  нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации. К примеру вы все же решили это сделать. Для обнаружения перехватываемого сигнала вам понадобится перестраиваемый интерферометр Майкельсона специальной конструкции. Причем, видимость интерференционной картины может быть ослаблена большим количеством сигналов, одновременно передаваемых по оптической системе связи. Можно распределить передаваемую информацию по множеству сигналов или передавать несколько шумовых сигналов, ухудшая этим условия перехвата информации. Потребуется значительный отбор мощности из волокна, чтобы несанкционированно принять оптический сигнал, а это вмешательство легко зарегистрировать системами мониторинга.

     Важное  свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие, без замены самого кабеля. 

     4. Есть в волоконной  технологии и свои  недостатки 

     При создании линии связи требуются  активные высоконадежные элементы, преобразующие  электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение.

     Точность  изготовления таких элементов линии  должна соответствовать длине волны  излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому  производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

     Другой  недостаток заключается в том, что  для монтажа оптических волокон  требуется дорогостоящее технологическое  оборудование. а) инструменты для  оконцовки. б) коннекторы. в) тестеры. г) муфты и спайс- кассеты.

     Как следствие, при аварии (обрыве) оптического  кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

     5. Оптическое волокно и его виды 

       

     Промышленность  многих стран освоила выпуск широкой  номенклатуры изделий и компонентов  оптоволокна. Следует заметить, что производство компонентов отличает высокая степень концентрации.

     Большинство предприятий сосредоточено в  США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится  к фирме "CORNING GLASS") оказывают  влияние на производство и рынок компонентов во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

     Для передачи сигналов применяются два  вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода, как ее называют).