Владо Дамьяновски - CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии

n 1sin(90°- ф 1) = n 1 (55)

Так как sin(90°- ф 1) = cos ф 1 , то мы можем написать:

cos ф 1 = n 2/n 2 (56)

sin 2ф + cos 2ф = 1 (57)

и используя уравнение (50), мы можем преобразовать (47) в более приемлемый вид, без синусов и косинусов:

sin 2ф 0/n1 2 + n 2 2/n 2 1 = 1 (58)

Зная основное правило тригонометрии

sin 2ф 0 = n 2 1— n 2 2 (59)

NA = sinф 0= SQRT(n 2 1— n 2 2) (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: n 1 = 1.46 и n 2 =1.40, что даст NA = 0.41, то есть ф 0 = 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:

A a= 10 lg(P 0/P 1) [ДБ] (61)

Однако, если сравнивать конкретную мощность света с абсолютным значением, например 1 мВт, то мы будем говорить о дБм, то есть:

A a= 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 А а 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:

B r =20 lg(U 0/U 1) [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).

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 6.63·10 34 джоулей,

с — скорость света (300·10 6 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).

Основные различия между светодиодом и лазерным диодом — это различия между спектрами генерируемого излучения и углами направленности.

Светодиод генерирует излучение с длинами волн, лежащими в окрестности некоторого центрального значения, как показано на рис. 10.41. Лазерный диод дает очень узкую полосу частот, почти одной длины волны.

P-N переход в светодиоде порождает излучение с более широким спектром, чем у лазерного диода, причем это излучение распространяется во всех направлениях, то есть светодиод не дает узконаправленного излучения. Дисперсия в сильной степени зависит от механического строения диода, его поглощения и отражения. Свет, однако, излучается во всех направлениях, и чтобы сузить пучок света, производители светодиодов помещают сверху что-то вроде фокусирующих линз. И все равно угол получается слишком большим и не годится для одномодового волокна. По этой причине светодиоды не используются в качестве передающих устройств с одномодовым оптоволоконным кабелем.

Лазерные диоды изготавливаются из того же материала, что и светодиоды, процесс генерации света тоже аналогичен, но зона перехода гораздо меньше, а концентрация дырок и электронов выше. Индуцированныи свет может излучаться только с очень маленькой поверхности. При определенных уровнях тока процесс генерации фотонов попадает в резонанс и число индуцированных фотонов резко увеличивается, давая больше фотонов с одинаковой длиной волны и фазой. Таким образом, оптическое усиление достигается организованным образом, и генерированный свет представляет собой когерентное (по фазе) индуцированное излучение. Слово LASER образовано из первых букв light amplification by stimulated emission of radiation , что означает: «усиление света при помощи индуцированного излучения».