Δίκτυα Τηλεπικοινωνιών. και Μετάδοσης

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Δίκτυα Τηλεπικοινωνιών και Μετάδοσης

2 Σύστημα μετάδοσης με οπτικές ίνες Tο οπτικό φέρον κύμα μπορεί να διαμορφωθεί είτε από αναλογικό είτε από ψηφιακό σήμα πληροφορίας: Στην αναλογική διαμόρφωση το φέρον οπτικό κύμα διαμορφώνεται κατά συνεχή τρόπο Ενώ στην ψηφιακή διαμόρφωση η ένταση του οπτικού κύματος υφίσταται διακριτές μεταβολές (παλμοί on off). Σχήμα 8.: β) Σύστημα επικοινωνιών με οπτικές ίνες.

3 Σύστημα μετάδοσης με οπτικές ίνες Σχήμα 8.3: Ψηφιακό οπτικό δίκτυο: Tο ψηφιακό σήμα πληροφορίας κωδικοποιείται κατάλληλα για οπτική μετάδοση. Το κύκλωμα οδήγησης του laser διαμορφώνει την ένταση του laser με το κωδικοποιημένο ψηφιακό σήμα. Το παραγόμενο ψηφιακό οπτικό σήμα τροφοδοτεί το καλώδιο οπτικής ίνας. Ο ανιχνευτής φωτοδιόδου ακολουθείται από έναν ενισχυτή και έναν ισοσταθμιστή, οι οποίοι παρέχουν ενίσχυση και γραμμική επεξεργασία του ανιχνευόμενου σήματος, καθώς και απόρριψη του θορύβου. 3

4 Σύστημα μετάδοσης με οπτικές ίνες Σχήμα 8.3: Ψηφιακό οπτικό δίκτυο: Tο λαμβανόμενο σήμα αποκωδικοποιείται για να παρέχει την αρχική ψηφιακή πληροφορία. Το καλώδιο οπτικής ίνας κατασκευάζεται συνήθως από γυαλί ή πολυμερές πλαστικό και η συχνότητα στην οποία λειτουργεί είναι περίπου Hz (το αντίστοιχο μήκος κύματος είναι από 1,7 μm έως 0,8 μm). 4

5 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτίνων n = 1 sinφ1 n sin Σχήμα 8.5: Καλώδιο οπτικής ίνας (n 1 >n ) φ Ο δείκτης διάθλασης για ένα υλικό μέσο, ορίζεται ως n=c/v (όπου c= m/sec είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό και v η ταχύτητα του φωτός μέσα στο υλικό μέσο. Το περίβλημα συγκρατεί τον πυρήνα και ελαττώνει σημαντικά τις απώλειες (λόγω ακτινοβολίας) προς τον περιβάλλοντα χώρο. Πρακτικά, το φως ταξιδεύει τόσο στον πυρήνα όσο και στο περίβλημα. Μία ακτίνα φωτός ταξιδεύει πιο αργά σε ένα «οπτικώς πυκνό» υλικό, απ ότι σε ένα «οπτικώς αραιό» υλικό. Στον πυρήνα της οπτικής ίνας, μία ακτίνα φωτός κινείται πιο αργά σε σχέση με το περίβλημα. 5

6 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτίνων Σχήμα 8.6: Οπτική ακτίνα Όταν μία οπτική ακτίνα προσπίπτει στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ δύο διηλεκτρικών υλικών με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, τότε έχουμε το φαινόμενο της διάθλασης, δηλαδή την αλλαγή πορείας της οπτικής ακτίνας στο υλικό με δείκτη διάθλασης n. Αυτό περιγράφεται από το νόμο του Snell: n = 1 sinφ1 n sin sinφ1 sinφ = n n 1 φ 6

7 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτίνων Ένα μικρό ποσό φωτός ανακλάται πίσω στο αρχικό υλικό [σχήμα 8.6(α): φαινόμενο μερικής εσωτερικής ανάκλασης. ). Εφ όσον n 1 >n : γωνία διάθλασης φ > γωνία πρόσπτωσης φ 1. Όταν φ =90º, (η διαθλώμενη ακτίνα είναι παράλληλη προς τη διαχωριστική επιφάνεια των δύο υλικών) από την εξίσωση (8.1) προκύπτει ότι φ 1 <90º. Σχήμα 8.6: Οπτική ακτίνα Στην περίπτωση αυτή, η φ 1 ονομάζεται κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης, συμβολίζεται με φ c (σχήμα 8.6(β)) και προκύπτει: n sin φ = c n 1 7

8 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτινών Για γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες από την κρίσιμη γωνία, το φως ανακλάται πίσω στο αρχικό υλικό (ολική εσωτερική ανάκλαση). Αυτός είναι και ο μηχανισμός διάδοσης του φωτός μέσα στην οπτική ίνα, με μικρές απώλειες. Σχήμα 8.7: Διάδοση μεσημβρινής ακτίνας φωτός σε οπτική ίνα. 8

9 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτινών Γωνία υποδοχής (acceptance angle) Μία οπτική ακτίνα Α εισέρχεται με γωνία θ α, στον πυρήνα μιας οπτικής ίνας, διαθλάται στη διαχωριστική επιφάνεια αέρα-πυρήνα και διαδίδεται στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος, υπό την κρίσιμη γωνία φ c. Μία ακτίνα Β (σχήμα 8.8) προσπίπτει στον πυρήνα της ίνας με γωνία μεγαλύτερη από τη θ α, μεταδίδεται στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήναπεριβλήματος με γωνία μικρότερη από τη φ c και δεν θα υφίσταται ολική εσωτερική ανάκλαση. Η ακτίνα αυτή διαθλάται στο περίβλημα και τελικά θα χαθεί λόγω ακτινοβολίας προς τον αέρα που περιβάλλει. Σχήμα 8.8: Γωνία υποδοχής θ α κατά την είσοδο του φωτός σε μία οπτική ίνα. 9

10 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτινών β) Για να διαδοθούν οι οπτικές ακτίνες με ολική εσωτερική ανάκλαση μέσα στον πυρήνα, θα πρέπει να προσπίπτουν σ αυτόν εντός ενός περιορισμένου κώνου, ο οποίος ορίζεται από την κωνική ημίσεια γωνία θ α. Η θ α είναι η μέγιστη γωνία, με την οποία το φως εισέρχεται στην ίνα και διαδίδεται σ αυτήν και αναφέρεται ως γωνία υποδοχής της ίνας. Λόγω συμμετρίας, η γωνία με την οποία εξέρχεται μία οπτική ακτίνα από την ίνα, είναι η ίδια με τη γωνία με την οποία εισέρχεται. Σχήμα 8.8: Γωνία υποδοχής θ α κατά την είσοδο του φωτός σε μία οπτική ίνα. 10

11 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτινών Από το νόμο του Snell (εξίσωση (8.)), για τη διαχωριστική επιφάνεια αέρα-πυρήνα προκύπτει: n 0 sinθ1 = n1 sinθ (8.3) Από το ορθογώνιο τρίγωνο ABC προκύπτει: φ=90º- θ (8.4) H (8.3) μετατρέπεται στην: n 0 sinθ1 = n1 cosφ Εφαρμόζοντας την τριγωνομετρική ταυτότητα sin φ+cos φ=1, προκύπτει: γ) Αριθμητικό άνοιγμα (Numerical Aperture - ΝΑ) (ικανότητα συλλογής φωτός από μία οπτική ίνα με διάμετρο 8 μm και άνω). (8.5) n0 sinθ1 = n1 1 sin φ (8.6) 11

12 Θεωρία διάδοσης οπτικών ακτινών Εάν συμβαίνει ολική εσωτερική ανάκλαση, τότε φ=φ c και θ 1 =θ α. Συνεπώς η (8.6) βάσει της (8.), λαμβάνει τη μορφή: n 0 sinθ α = n1 n Αριθμητικό άνοιγμα (ΝΑ) μιας οπτικής ίνας: NA = n0 sinθα = n1 n NA = n 0 sinθα = n1 (8.9) n1 n όπου = (Δ=σχετική διαφορά των δεικτών διάθλασης). n 1 (8.7) (8.8) Στον αέρα, n o 1 και προκύπτει ΝΑ=sinθ α. Μέσα στην οπτική ίνα διαδίδονται οι ακτίνες που προσπίπτουν με γωνία 0 θ 1 θ α. 1

13 Ασκήσεις 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΔΙKTYA THΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Άσκηση 15 η Μία οπτική ίνα πυριτίου έχει δείκτη διάθλασης πυρήνα ίσο με 1,50 και δείκτη διάθλασης περιβλήματος ίσο με 1,47. Να υπολογιστούν: α) Η κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος. β) Το αριθμητικό άνοιγμα της ίνας. γ) Η κωνική ημίσεια γωνία στον αέρα. 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Ο : ΔΙKTYA THΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΜΕ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ Άσκηση 16 η Η σχετική διαφορά δεικτών διάθλασης σε μία οπτική ίνα είναι 1% και ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα είναι 1,46. Να υπολογιστούν: α) Το αριθμητικό άνοιγμα της ίνας. β) Η κρίσιμη γωνία πρόσπτωσης στη διαχωριστική επιφάνεια πυρήνα-περιβλήματος. 15