Основы оптической связи 1 вариант контрольная работа

1. Основы физической и квантовой оптики

1. Почему применяют диапазона волн 0,4 - 1,8мкм в технике оптической связи?

Его использование обусловлено двумя факторами: по шкале энергий этот диапазон соответствует ширине запрещенной зоны ряда полупроводников, т.е. кванты такого излучения могут порождаться и поглощаться с ионизацией лишь валентных электронов; этот диапазон отличается наибольшей прозрачностью в таких средах распространения волн как стекловолокно и воздушная атмосфера. Следовательно, существует возможность изготовления эффективных полупроводниковых приборов и согласование их со средами передачи.

2. Объяснить связь энергии фотона и длины волны излучения.
Еф=hc/λ; где h- постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, λ – длина волны.

3. Объяснить законы, являющиеся основой геометрической оптики.
Геометрическая оптика основана на законах: закон прямолинейного распространения света; закон независимости световых пучков; закон отражения; закон преломления.

4. В чём физический смысл показателя преломления?
– показатель среды зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости.

5. Почему поляризуются электромагнитные волны?
Световая волна называется линейно поляризованной или поляризованной если электрический вектор Е всё время лежит в одной плоскости в которой расположена нормаль к фронту волны. Эта плоскость называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации.

6. Что является результатом интерференции волн?
Интерференция волн - такое наложение волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других, в зависимости от соотношения между фазами этих волн.

7. Перечислить оптические приборы техники связи, которые строятся на основе интерференции.
Интерферометр — измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по которой можно установить смещение фаз пучков.

8. Как устроена дифракционная решетка?
Дифракционная решётка — оптический прибор, действие которого основано на использовании явления дифракции света. Представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность.

9. В чём смысл условия Брэгга-Вульфа?

Условие Брэгга-Вульфа определяет направление максимумов дифракции упруго рассеянного на кристалле рентгеновского излучения. Имеет вид:
;
где d — межплоскостное расстояние,
θ — угол скольжения (брэгговский угол),
n — порядок дифракционного максимума,
λ — длина волны.

10. Объяснить смысл «запрещённой зоны» полупроводниковых материалов.

В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости. В этом случае шириной запрещённой зоны (см. рисунок) называется разность энергий между дном (нижним уровнем) зоны проводимости и потолком (верхним уровнем) валентной зоны.


11. Для чего предназначено соединение GaAs в технике ВОСП?
 Для источников излучения

12. Что служит признаком отличая прямозонных и непрямозонных материалов?
Прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

13. Что возможно в p-n переходах оптических приборов при прямом и обратном смещении?
Прямо включенные в цепь электрического тока полупроводниковые приборы с p-n переходом могу служить в качестве источников излучения волн (фотонов) оптического диапазона, которые образуются в результате электронно-дырочной рекомбинации.
При обратном подключении полупроводникового прибора в цепь источника электрического напряжения, когда прибор не проводит электрический ток из-за полного обеднения p-n перехода носителями зарядов, он может служить детектором фотонов (электромагнитных волн оптического диапазона). Однако для этого ширина запрещенной зоны p-n перехода должна быть меньше энергии фотонов. Фотоны могут высвободить связанные электроны валентной зоны, что приведет к образованию электронно-дырочных пар.

14. Какое устройство в ВОСП имеет отражательные дифракционные решетки?
DFB лазер

15. Какие компоненты входят в состав ВОСП?
В состав ВОСП входят: система ПРД (СП), оборудование сопряжения(ОС), оптический передатчик (Опер), ОВ, оптический ретранслятор(ОР), оптический ПРМ (Onp).

16. Для чего нужен оптический конвертор ВОСП?
Оптические конвертеры обеспечивают преобразование электрического сигнала из витой пары и тонкого коаксиального кабеля в оптический сигнал, идущий по многомодовому или одномодовому волокну. Конвертер, в отличие от трансивера, должен иметь свой отдельный блок питания.


2. Физические среды оптической связи и их характеристики

1. Привести определение волоконно-оптической системой передачи.
Волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) — волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне.

2. Указать диапазон электромагнитных волн (частот) для применение в оптических системах передачи.
Наибольшее применение для оптической связи имеет диапазон, который называют ближней инфракрасной зоной (0.8 1.675 мкм).

3. Что относится к передаточным характеристикам волоконных световодов?
К характеристикам передачи волоконных световодов относятся:
- величина потерь оптической мощности на единице длины (дБ/км);
- величина дисперсии (уширения оптического импульса) на единице длины (пс/км);
- модовый состав оптического сигнала;
- нелинейные явления в стекловолокне;
- размер модового пятна.

4. Назвать материалы для изготовления волоконных световодов.
В качестве материалов для изготовления волоконных световодов используется соединение SiO2 c некоторыми примесями Ge и другими материалами. Также для изготовления волоконных световодов используются пластмассы, например, полиметилметакрилат (РММА). Из полимера могут быть изготовлены как многомодовые, так и одномодовые световоды.

5. В чём измеряют потери оптической мощности в стекловолокне?
Для расчета затухания (потерь) оптической мощности используются логарифмические единицы – дБ.

6. В чём отличие характеристик волоконных световодов стандарта G.652 с различными буквенными индексами (A,B,C, D)?
Стандарт разделяет волокна на четыре подкатегории A, B, C, D.
Волокно G.652. А отвечает требованиям, необходимым для передачи информационных потоков уровня STM 16, - 10 Гбит/с (Ethernet) до 40 км, в соответствии с Рекомендациями G.691 и G.957, а также уровня STM 256, согласно G.691.
Волокно G.652.B соответствует требованиям, необходимым для передачи информационных потоков уровня до STM 64 в соответствии с Рекомендациями G.691 и G.692, и уровня STM 256, согласно G.691 и G.959.1.
Волокна G.652.C и G.652.D позволяют осуществлять передачу в расширенном диапазоне длин волн 1360-1530 нм и обладают пониженным затуханием на "пике воды" ("пик воды" разделяет окна прозрачности в полосе пропускания одномодовых световодов в диапазонах 1300 нм и 1550 нм). В остальном аналогичны G.652.A и G.652.B.

7. Определить полосу частот рабочего диапазона S для SMF улучшенного типа.
S – коротковолновый диапазон -1460-1530нм.

8. Почему образуется дисперсия в оптическом волокне?
Причинами дисперсии в оптоволокне принято считать:
- различие скорости распространения световых мод, образующих межмодовую дисперсию ( м м);
- направляющие свойства оптического волновода, образующие волноводную дисперсию ( в);
- свойства материала оптоволокна, создающие материальную дисперсию ( м);
- сумма волноводной и материальной дисперсии образует хроматическую (τХр);
- различие скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих моды, обусловленных двойным лучепреломлением волокна, образующее поляризационную модовую дисперсию ПМД ( пмд).


9. Чем отличаются конструкции и характеристики волокон SMF, NZDSF и DCF?
Это волоконные световоды с нулевой дисперсией на волне 1310 нм (SM, по рекомендации G.652), световоды со смещённой (DS, по рекомендации G.653) и смещённой ненулевой дисперсией (NZDS, по рекомендациям G.655, G.656)
Указанные волоконные световоды отличаются геометрическими и оптическими характеристиками.




10. Почему возможны разные виды дисперсии в волоконных световодах?
Конструкции оптических волноводов и оптические характеристики материалов волноводов определяют дисперсионные искажения оптических импульсов, поляризационную чувствительность.

11. Что такое ПМД?
Различие скоростей распространения двух взаимно перпендикулярных составляющих моды, обусловленных двойным лучепреломлением волокна, образующее с ПМД

12. Как влияет ПМД на скорости и дальности передачи в оптических линиях?
ПМД учитывается при длине линии свыше 25 км и скорости более 10Гбит/с.

13. Почему появляются нелинейные оптические эффекты в стекловолокне?
Нелинейные эффекты являются следствием увеличение уровня мощности сигнала с соответствующим увеличением плотности мощности в сердцевине волокна. Интенсивность высокой мощности волокна достигается увеличением мощности сигнала и/или уменьшением эффективного сечения волокна

14. Чем вызваны потери оптической энергии в атмосфере Земли?
Распространение оптического излучения в атмосфере сопровождается двумя существенными для оптической линии связи процессами флуктуациями принимаемого сигнала из-за рефракции излучения на турбулентных неоднородностях воздуха и аэрозольными рассеянием и поглощением на частицах дождя тумана снега промышленных выбросах пыли. Кроме того, поглощение излучения в атмосфере зависит от длины волны и эта зависимость имеет характер окон прозрачности. Поглощение света атмосферой зависит и от содержания в ней водяных паров и углекислого газа вдоль пути распространения световой волны концентрация которых в свою очередь зависит от влажности воздуха и высоты

15. Назвать основные конструкции оптических кабелей.
Кабели повивной концентрической скрутки, с фигурным сердечником, плоские кабели ленточного типа.

Задача 2
Определить затухание, дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим затуханием (дБ/км) на длине волны излучения передатчика 0 (мкм), ширине спектра излучения 0,5 (нм) на уровне половины максимальной мощности излучения. Данные для задачи приведены в табл.2.1 и 2.2. Определить мощность оптического излучения в волокне на выходе секции, если на входе подключен оптический генератор с уровнем мощности +10дБм на заданной длине волны λ0. Составить схему измерения этой мощности оптическим тестером.

Таблица 2.1 Длина оптической секции
Параметр Предпоследняя цифра номера пароля
 1
Длина оптической секции, км 80

Таблица 2.2 Характеристики волокон
Параметр Последняя цифра номера пароля
 1
Тип волокна DSF
Коэффициент затухания, α, дБ/км 0,27
Длина волны, λ0, нм 1,524
Спектральная линия, Δλ0,5, нм 0,02
Коэффициент хроматической дисперсии, σХр, пс/(нм×км) -2,7
Затухание на разъёмных соединениях, lrs , дБ 0,2

DSF, Dispersion-Shifted (single mode) Fiber – волокно одномодовое со смещенной дисперсией, коэффициент ПМД σпмд=0,1 пс/√км;