Шпаргалка по "Физике"

Одним из преимуществ, отличающих оптоволоконные системы, является абсолютная защищенность оптоволокна от электрических помех, наводок и полное отсутствие  излучения во вне.

 

 

37. Принципы  распространения света в оптических  волноводах

Оптические  волноводы - это диэлектрические структуры, по которым может распространяться электромагнитная энергия в видимой и инфракрасной областях спектра.

В датчиках и  сенсорных устройствах оптические волноводы используются в качестве элементов, непосредственно реагирующих  на внешние физические возмущения, а также служат пассивными, передающими свет компонентами. Независимо от роли, которую играет оптический волновод в датчике или сенсорном устройстве, он всегда служит каналом, по которому распространяются пучки света, модулируемые действием регистрируемых физических возмущений и несущие информацию.

Различают два  вида оптических волноводов, применяемых  в световодной технике, в том  числе в датчиках и сенсорных  системах: планарные световоды и оптические волокна. Планарный световод в простейшем случае представляет собой полоску прямоугольного сечения толщиной 2а (так называемая сердцевина световода) из прозрачного материала, имеющего для применяемого в датчике или в сенсорном устройстве излучения с длиной волны показатель преломления n. Слой вещества, окружающий сердцевину, именуется оболочкой световода. Роль оболочки планарного световода может играть не только твердое вещество, но и жидкая среда, газ или даже вакуум. Соотношение значений показателя преломления позволяет лучу света, проникшему извне в сердцевину планарного световода, при определенных условиях распространяться вдоль продольной оси световода, многократно испытывая полное внутреннее отражение на границе между его сердцевиной и оболочкой. Траектория луча в сердцевине планарного световода будет зигзагообразной и состоящей из прямолинейных отрезков, если значение п одинаково во всех точках внутри сердцевины и лишь на границе сердцевины и оболочки показатель преломления скачком уменьшается до значения.

38. Устройство  и принцип передачи инф. по волоконным сист.

Как правило, оптоволоконная система включает передатчик видеосигнала,  преобразующий электрические видеосигналы в оптическое излучение, приемник видеосигнала, преобразующий оптическое излучение  обратно в электрические видеосигналы и собственно оптическое волокно, соединяющее передатчик и приемник. Обладая чрезвычайно низкими потерями, оптоволоконные системы могут передавать  видеосигналы на расстояния до нескольких десятков километров без использования промежуточных усилителей, намного превосходя по этому параметру коаксиальные и проводные системы передачи видеосигналов. Другой особенностью оптоволоконных систем  является их высокая пропускная способность.

Оптическое  волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Практические  параметры, которые характеризуют  оптоволокно - это длина кабеля, диаметр  световода, длина волны и затухание  сигнала, характеристика аналогичная сопротивлению в медном кабеле. Современная промышленность производит оптоволокно двух типов: одномодовое и многомодовое, которые различаются типом путей, или "мод", проходимых светом в сердцевине волокна.   Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней: от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать с чрезвычайно высокими скоростями передач

39. Элементы оптоэлектронной оптики

Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

Существенная  особенность оптоэлектронных устройств  состоит в том, что элементы в  них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Оптоэлектроника охватывает два основных независимых  направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой.

Основным элементом  оптоэлектроники является оптрон. Различают  оптроны с внутренней и внешними фотонными связями.

Простейший  оптрон представляет собой четырехполюсник, состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе.

Другой тип  оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис.1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы  другой частоты.

 

 

40. Оптоволоконные  кабели

Оптическое  волокно — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Оптическое  волокно, как правило, имеет круглое  сечение и состоит из двух частей — сердцевины и оболочки. Для обеспечения полного внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки.

Оптические  волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми.

В многомодовом волокне коэффициент преломления света в сердцевине непостоянный, поэтому сигнал распространяется по нескольким независимым путям (модам), однако это чревато межмодовой дисперсией. В одномодовом волокне нет межмодовой дисперсии, т.к. сигнал идет по одной моде, затухание сигнала связано только с физическими свойствами волокна. Таким образом, одномодовое волокно, имеет лучшие показатели и стоит дешевле. Однако организация сети на одномодовом волокне обойдется значительно дороже из-за того, что в оборудовании для передачи и приема светового сигнала используются лазерные источники (для многомодового волокна используются светодиодные источники).

Существует  три основных типа одномодовых волокон:

- Одномодовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией

- Одномодовое волокно со смещённой дисперсией

- Одномодовое волокно с ненулевой смещённой

Многомодовые  волокна отличаются от одномодовых  диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте  и 62,5 микрон в североамериканском и  японском стандартах.

41. Структура оптического волоконного кабеля

В настоящее  время оптическое волокно является наиболее перспективным и совершенным  каналом для передачи больших  массивов информации. Конструктивно  оптоволокно представляет собой множество световодов, каждый из которых уложен в мягкий защитный материал, а они в свою очередь защищены жестким покрытием. Световод состоит из сердцевины и защитной стеклянной оболочки, которая служит отражающим слоем, с помощью этого слоя сигнал удерживается внутри сердцевины. Практические параметры, которые характеризуют оптоволокно - это длина кабеля, диаметр световода, длина волны и затухание сигнала, характеристика аналогичная сопротивлению в медном кабеле. Современная промышленность производит оптоволокно двух типов: одномодовое и многомодовое, которые различаются типом путей, или "мод", проходимых светом в сердцевине волокна. В многомодовом волокне коэффициент преломления света в сердцевине непостоянный, поэтому сигнал распространяется по нескольким независимым путям (модам), однако это чревато межмодовой дисперсией. В одномодовом волокне нет межмодовой дисперсии, т.к. сигнал идет по одной моде, затухание сигнала связано только с физическими свойствами волокна. Таким образом, одномодовое волокно, имеет лучшие показатели и стоит дешевле. Однако организация сети на одномодовом волокне обойдется значительно дороже из-за того, что в оборудовании для передачи и приема светового сигнала используются лазерные источники (для многомодового волокна используются светодиодные источники).

 

42.Оптоэл. преобразователь и устройства     

Оптоэлектронный прибор - это элемент или узел, применяемый в оптоэлектронике для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и наоборот. Оптоэлектронные приборы делятся на источники оптического излучения и приемники оптического излучения (фотоприемники). Кроме них к оптоэлектронным приборам относят оптические волноводы, оптическую память, функциональные приборы (преобразователи некогерентного излучения в когерентное, оптроны, оптические вентили и др.), оптические и оптоэлектронные интегральные схемы, модуляторы света и отклоняющие системы, а также разного рода дисплеи.

Фотоприемники предназначены для преобразования входного оптического сигнала в  электрический.

Различают следующие  виды фотоприемников:

1. фотоэлемент; 

2. фотоэлектронный умножитель;

3. фотодиод p-n-типа;

4. фотодиод p-i-n-типа;

5. лавинный фотодиод;

6. фототранзистор;

7. фототиристор.

 

 

43. Фотоприемники

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую. Фотоэлектрический преобразователь, являющийся простейшим видом фотодетекторов, и представляет собой полупроводниковый диод. Существует несколько типов таких преобразователей.

К фотоприемникам оптических систем связи предъявляются следующие требования:  -высокая чувствительность;

-требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

-низкий уровень шумов;

-требуемое быстродействие;

-длительный срок службы;

-использование в интегральных схемах совместно с оптическими усилителями.

В большой степени  этим требованиям отвечают фотодиоды.

В фотодетекторах используются два фотоэффекта: фотогальванический и фотопроводимости. Приборы на основе фотогальванического эффекта: фотодиоды, фототранзисторы. Эффект фотопроводимости используется в фоторезисторах.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фототранзистор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, изменяющий своё электрич. сопротивление под действием внеш. эл.-магн. излучения. Фоторезисторы относятся к фотоэлектрич. приёмникам излучения, их принцип действия основан на внутр. фотоэффекте в полупроводниках.

44. Оптрон с фотодиодом

Оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод) и фотоприёмника (фототранзисторов, фотодиодов, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Светоизлучающий диод (светодиод) - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую. Фотоэлектрический преобразователь, являющийся простейшим видом фотодетекторов, и представляет собой полупроводниковый диод. Существует несколько типов таких преобразователей. Один из основных среди них — фотодиод. Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Наиболее часто в качестве фотоприемников оптоэлектронных приборов различной сложности применяют  фотодиоды p-i-n-структуры, где i – обедненная область высокого электрического поля. Меняя толщину этой области, можно получить хорошие характеристики по быстродействию и чувствительности за счет малой емкости и времени пролета носителей.          оптрон с фотодиодом

45. Оптрон с фототранзистором

Оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод) и фотоприёмника (фототранзисторов, фотодиодов, фоторезисторов), связанных оптическим каналом. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Светоизлучающий диод (светодиод) - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Фотодетектором (фотоприёмником) называют устройство, преобразующее оптическую энергию в электрическую.

Наиболее распространенными  фотоприемниками с внутренним усилением  являются фототранзисторы и фототиристоры.