Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

Передача информации

 Для передачи световой информации широко используются устройства, получившие название световодов. Из этого многообразия устройств выделяются два типа: одножильный световод, называемый оптическим волокном (оптоволокном), представляющий собой тонкую сердцевину (от нескольких микрон до сотен микрон) и окружающую ее оболочку и многожильные световоды, представляющие собой "спеченое" в один жгут множество одножильных световодов - волокон или пучков световодов. Световые жгуты могут содержать десятки тысяч волокон.

Одножильные световоды используются для передачи кодированной информации в средствах связи. Многожильные - для передачи изображения из труднодоступных мест, для преобразования формы светового пятна, для исправления кривизны поля и дисторсии изображения в широкоугольных объективах, для зашифровки передаваемого изображения.

Работа световодов основана на явлении полного внутреннего отражения, которое возникает, если излучение из оптически более плотной среды с показателем преломления n1 попадает в оптически менее плотную с показателем преломления n2<n1 (см. рис.1в).

   

 а) б)

 


 в)

Рис.1.Варианты прохождения света через границу двух сред. (n1 > n2)

При падении света на границу двух сред, часть света проходит во вторую среду, отклоняясь от нормали к границе сред на угол φ1 (Sinφ1 = (n1*Sin φ) /n2), а часть отражается от границы под углом, равным углу падения φ (см. рис.1а). Если угол падения φ увеличивать, то наступит ситуация, при которой преломлённый свет будет распространяться вдоль границы (φ1 = 900). В этом случае свет во вторую среду выходить не будет (см. рис.1б). Соответствующий угол падения называется предельным (критическим) и определяется из выражения Sin φкр = n2 /n1 . Для сред стекло-воздух этот угол составляет порядка 340 - 440. Для волоконно-оптических систем разница в показателях преломления сердцевины и оболочки составляет порядка 0,01, что приводит к критическим углам большим 800 . При дальнейшем увеличении угла падения φ весь падающий свет будет отражаться от границы и оставаться в первой среде (см. рис.1в). На этом свойстве полного внутреннего отражения света основана работа всех волоконно-оптических систем.

На рис.2 показан ход лучей в оптическом волокне, состоящем из сердцевины и оболочки, с нарушением полного внутреннего отражения (луч I) и без нарушения (луч II). Показатели преломления сердцевины и оболочки - nс и nоб соответственно, причем nс > nоб. (Преломлением лучей на торцах волокна в данном рассмотрении пренебрегаем.)

Рис.2.Ход лучей в оптическом волокне: луч 1 не испытывает полного внутреннего отражения; луч II испытывает полное внутреннее отражение.

При нарушении полного внутреннего отражения на границе сердцевина – оболочка (луч 1 на рис.2), свет из сердцевины  входит в оболочку, часть его может покинуть волокно, часть снова войти в сердцевину, т.е. свет распространится по всему объему волокна, уменьшая при этом энергию сигнала на выходе волокна. Если нет нарушения полного внутреннего отражения (луч II на рис.2), весь свет при его распространении к выходному торцу волокна остается в сердцевине.

В световом жгуте каждое волокно работает самостоятельно, как одножильное волокно.

В практическом применении светового жгута и волокна существуют определенные отличия. Жгут используется для передачи информации на малые расстояния (несколько метров), волокно - при передаче информации на очень большие (тысячи километров). Это обстоятельство предъявляет более высокие требования к характеристикам одножильного волокна, по сравнению со жгутом.

Одним из главных параметров, характеризующих работу световодов, являются потери света. Они определяются по формуле

 δ = -­ 10 lg (1),

где  - коэффициент пропускания светового потока световодом.

Для волокна пропускание определяется для участка длиной в один км. Единица измерения пропускания для жгута - децибел (дБ), для волокна - децибел на км (дБ/км).

Потери обусловлены технологией изготовления волокна (рассеянием света на микронеоднородностях стекла, используемого для изготовления волокна, поглощением света примесями в составе стекла), технологией монтажа (потери на изгибах, френелевские потери, потери на стыках волокна). Для жгута существенный вклад в потери вносит укладка волокон в процессе его изготовления. Для работы оптоволокна на большие расстояния используется свет с длиной волны 1,55 мкм, при которой суммарное действие рассеяния и поглощения света в волокне минимально. На практике сейчас используется волокно с потерями порядка 0,2 дБ/км и разработано - до 0,02 дБ/км.

При достаточно больших углах падения луча света на входной торец световода (угол α на рис.2) нарушается полное внутреннее отражение на границе сердцевина - оболочка. Максимальное значение угла α, при котором лучи света остаются в сердцевине (сохраняется полное внутреннее отражение), называется номинальным (критическим) апертурным углом αкр. Величина NA = n0 Sin αкр , где n0 - показатель преломления среды, из которой свет входит в световод, называется номинальной числовой апертурой. Эта величина характеризует эффективность ввода световой энергии в световод, т.е. чем больше критический угол (соответственно NA), тем больше энергии можно ввести в сердцевину световода и которая останется в ней за счет выполнения условия полного внутреннего отражения. Значения числовой апертуры
важно учитывать при стыковке различных волокон. Если эти значения имеют разную величину, то на стыках возникают потери света.

Для волоконно-оптических систем важна скорость передачи данных. Т.к. передача ведется в импульсном режиме, то важно, чтобы импульс сохранил свою форму, а главное, свою длительность до выхода из волокна. С ростом длительности импульса надо увеличивать расстояние между ними, а это приводит к падению скорости передачи. Импульс обладает определенным частотным спектром, и чем полнее волокно передает частоты этого спектра, тем в большей мере импульс сохраняет свои параметры. Стекло, из которого изготавливается волокно, обладает материальной дисперсией (хроматической дисперсией), т.е. имеет разный показатель преломления для разных длин волн или, другими словами, разную скорость света для разных длин волн. Это явление приводит к тому, что разные составляющие спектра импульса приходят к выходу волокна в разное время, чем меняют форму импульса и увеличивают его длительность. К такому же эффекту приводит межмодовая дисперсия.

Если в сердцевину волокна вводится под некоторым углом плоская волна, то в сердцевине из-за переотражений от границы сердцевина-оболочка образуется суперпозиция (сумма) волн. В результате сложения волн они могут погасить друг друга, т.е. волна, вошедшая в волокно под определенным углом, не будет в нем распространяться. На выходе волокна будет темно. Таким образом, в волокне могут распространяться только определенные волны, которые носят название собственных мод. Порядок моды увеличивается с увеличением угла входа в волокно. Каждая мода (волна) входит в волокно под своим углом и падает на границу сердцевина-оболочка также под своим углом. Чем меньше этот угол, тем больший путь проходит волна в волокне. Наименьший путь пройдет волна, идущая вдоль оси волокна. Таким образом, введенный в волокно импульс света распространяется по волокну в виде набора мод (волн), которые проходят разные расстояния и приходят на выход в разные моменты времени. Форма импульса искажается и его длительность возрастает. Это явление называется межмодовой дисперсией. Для оценки способности волокна передавать импульс, введена характеристика – полоса пропускания. Эта характеристика из-за зависимости от длины волокна носит относительный характер и измеряется в МГц · км. Длительность импульса и ширина его спектра связаны друг с другом обратнопропорциональной зависимостью: чем уже импульс, тем шире его спектр. Если волокно не пропустит весь спектр импульса, его
длительность на выходе увеличится. Поэтому, введя для волокна параметр
– полосу частот, можно с его помощью оценить скорость передачи импульсной информации.

Раздел экспериментального практикума «Передача информации» включает две лабораторные работы, посвященные исследованию параметров одножильного волокна и светового жгута.

Вольт-амперная характеристика диода

 Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика диода приближенно она может быть описана уравнением:

 I=IO(e U/mjт –1), (1)

где IO – ток насыщения обратно смещенного перехода (обратный тепловой ток); U – напряжение на p-n переходе; jт = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов jк на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения; k =1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,6×10-19кулон – заряд электрона; m - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При комнатной температуре Т=300К (27оС), jт = 0,026В.

На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов, В соответствии с (1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия. 

 На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно 0,6В.

Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p-n перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде UобрIобр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p-n переход. 

У любого диода оговаривается несколько основных параметров:

номинальный прямой ток;

максимальное обратное напряжение;

прямое падение напряжения;

постоянный обратный ток;

максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например, время проводимости).

Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150оС против 75оС для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60...80А/см2 по сравнению с 20... 30А/см2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500...2800В по сравнению с 600...800В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения. Прямое падение напряжения при прямом номинальном токе обозначается Uпр. Uпр=0,3...0,4В для германиевых диодов, Uпр=0,6...1,2В для кремниевых диодов.

Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P=UI. U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Если диод начинает работать на не рабочих участках ВАХ, он выходит из строя. На не рабочих участках мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый. При нагреве, превышающем допустимый, диод разрушается.

При рассмотрении режимов работы схем с диодами их часто представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения