Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии
Типы оптоволоконных кабелей
Существует несколько типов оптоволоконных кабелей. Их классификация основана на характере
прохождения световых волн по стекловолокну.
Как уже упоминалось во вступлении, основная идея состоит в использовании эффекта полного отражения, который является следствием различия показателей преломления (п2 > п1, где п2 — показатель преломления внутреннего стекловолокна (сердцевины), а п1 — показатель преломления внешней оболочки).
Типичный пример — это оптоволоконный кабель со ступенчатым профилем (показателя преломления).
Кабель со ступенчатым профилем, а также схема распространения света по такому кабелю, представлены на рис. 10.38. Обратите внимание на деформацию входного импульса, которая вызвана различной длиной траекторий световых лучей, отражающихся от цилиндрической поверхности, разделяющей два стекловолокна с различными показателями преломления. Это называется модовой дисторсией.
Чтобы уравновесить пробегаемые лучами длины путей и улучшить характеристики импульса, было разработано многомодовое стекловолокно. В многомодовом стекловолокне лучи света распространяются с примерно равной скоростью, порождая эффект оптических стоячих волн.
Еще лучшие характеристики имеет одномодовое стекловолокно, почти не дающее модальной дисторсии.
Рис. 10.38. Три типа оптоволоконного кабеля
Последний вариант — самый дорогой, но он позволяет намного увеличить протяженность линии при использовании той же электроники. Для задач видеонаблюдения тип используемого стекловолокна — многомодовый или со ступенчатым профилем — не имеет особого значения.
На рис. 10.38 приведены профили показателей преломления для этих трех типов стекловолокна.
Числовая апертура
Свет может попадать в оптоволоконный кабель под разными углами.
Зная разные показатели преломления воздуха и стекловолокна, применим теорию преломления и закон Снелиуса:
n0sin ф0 = n1sin ф1 (52)
где n1 — показатель преломления стекловолокна, n0 — показатель преломления воздуха, равный примерно 1.
sin ф0 = n1sin ф1 (53)
Рис. 10.40. Определение числовой апертуры
Левая половина выражения описывает очень важное свойство стекловолокна, которое называется числовой апертурой.
Числовая апертура характеризует светособирающую способность оптоволоконного кабеля.
На практике числовая апертура позволяет понять, как соединить два оптоволоконных кабеля и при этом сохранить сигнальный контакт. Реальные значения типичного апертурного угла для кабеля со ступенчатым профилем показаны на рис. 10.40.
Чтобы рассчитать числовую апертуру NA (угол фо), не обязательно знать угол ф1
Далее приведены основные тригонометрические преобразования, позволяющие выразить числовую апертуру только через показатели преломления стекловолокна.
Применяя закон Снелиуса и опираясь на рисунок, получаем:
n1sin(90°- ф1) = n2sin(90°- ф2) (54)
Для полного отражения Ф2 = 0°мы имеем тогда выражение принимает вид:
n1sin(90°- ф1) = n1 (55)
Так как sin(90°- ф1) = cos ф1, то мы можем написать:
cos ф1 = n2/n2 (56)
sin2 ф + cos2ф = 1 (57)
и используя уравнение (50), мы можем преобразовать (47) в более приемлемый вид, без синусов и косинусов:
sin2ф0/n12 + n22/n21 = 1 (58)
Зная основное правило тригонометрии
sin2ф0 = n21 — n22 (59)
NA = sinф0 = SQRT(n21 — n22) (60)
Формула (54) это хорошо известная формула для вычисления числовой апертуры оптоволоконного кабеля по двум известным показателям преломления — внутренней нити и оболочки. SQRT — это корень квадратный.
Очевидно, чем выше это значение, тем больше светособирающий угол кабеля.
Приведем реалистичный пример: n1 = 1.46 и n2 =1.40, что даст NA = 0.41, то есть ф0 = 24°.
Для волокна с плавным профилем апертура является переменной и зависит от радиуса измеряемого профиля, но она ниже, чем у многомодового волокна со ступенчатым профилем. Для одномодового волокна 9/125 мкм числовая апертура NA = 0.1.
Уровни света в волоконной оптике
Выходная мощность света измеряется в ваттах (как и любая другая мощность), но поскольку в оптоволоконной связи используются очень слабые источники света, то удобнее сравнивать выходную мощность с входной, а в этом случае мы получаем хорошо известное соотношение для децибел:
Aa = 10 lg(P0/P1) [ДБ] (61)
Однако, если сравнивать конкретную мощность света с абсолютным значением, например 1 мВт, то мы будем говорить о дБм, то есть:
Aa = 10 lg(P/1 мВт) [дБм](62)
Рассчитывать уровни передачи легче в децибелах.
Отрицательное значение в децибелах при расчете А означает потери, а положительное значение — среднее усиление.
Если Аа равно отрицательному значению дБм, то мощность меньше 1 мВт, а положительное значение соответствует мощности, большей 1 мВт.
Определение децибел при сравнении мощностей задается уравнением (55), но, как указывалось ранее, для напряжения и тока определение выглядит иначе:
Br =20 lg(U0/U1) [ДБ] (63)
Не углубляясь в теорию, отметим, что децибелы для мощности вычисляются с коэффициентом 10 перед логарифмом, а для напряжения (и тока) — с коэффициентом 20.
Потери света при прохождении по волоконному кабелю объясняются следующими факторами:
— Стыковкой с источником
— Сращиванием световодов
— Затуханием в стекловолокне из-за его неоднородности
— Высокими температурами и т. д.
Проектируя систему видеонаблюдения с оптоволоконным кабелем, важно знать общее затухание, так как мы работаем с очень слабыми сигналами. Лучше работать с наихудшими оценками, чем использовать средние значения — только тогда возможно спроектировать надежную и качественную систему.
Для этого следует помнить, что в большинстве случаев выходная мощность излучения 850-нм светодиода лежит между 1 дБм и 3 дБм, а 1300-нм светодиод имеет несколько меньшую мощность — от 0 дБм до 2 дБм (помните, что мощность выражена относительно 1 мВт).
Наибольшие потери возникают при соединении светодиода и волокна.
Потери также зависят от числовой апертуры и от профиля волокна, который может быть ступенчатым или плавным.
Реалистичное значение потерь, вызванных соединением с источником, составляет около 14 дБ (относительно выходной мощности источника).
Источники света в оптоволоконной связи
Два основных компонента-источника света для оптоволоконного кабеля:
— Светодиоды (LED)
— Лазерные диоды (LD).
Рис. 10.40. Лазерный диод
Оба источника дают частоты в инфракрасном диапазоне, то есть выше 700 нм.
Генерация света как в светодиодах, так и в лазерных диодах происходит в процессе рекомбинации электронов и дырок в P-N переходе при подведении прямого (однонаправленного) тока. Такой свет называется электролюминесцентным.
После рекомбинации пары электрон/дырка имеют меньшую энергию, чем каждая составляющая до рекомбинации. При рекомбинации пары электрон/дырка теряют энергию, равную разности энергетических уровней, которая излучается в виде фотонов (минимальная единица переноса света).
Длина волны, ассоциированная с фотоном, определяется уравнением:
A = hc/E (64)
где:
h — постоянная Планка, фундаментальная физическая постоянная, равная 6.63·1034 джоулей,
с — скорость света (300·106 м/с),
Е — ширина энергетической зоны P-N материала.
Так как h и с постоянны, то длина волны зависит только от энергетической зоны, то есть от используемого материала. Это очень важный вывод.
Для чистого арсенида галлия (GaAs) А равно 900 нм. Добавляя небольшое количество алюминия, можно уменьшить длину волны до 780 нм. Чтобы получить еще более короткие длины волн, используется фосфид галлия арсенида (GaAsP) или фосфид галлия (GaP).
