Лекция 15

Лекция 15.

План:

1. Введение;

2. Световоды.

§6.15.1. Введение.

Для любой системы связи важное значение имеют три фактора: информационная емкость системы, выраженная в числе каналов связи, или скорость передачи информации, выраженная в бит в се­кунду; затухание, определяющее максимальную длину участка ре­трансляции; стойкость к воздействию окружающей среды. Прибли­женно можно считать, что емкость системы связи пропорциональна используемой частоте. Создание лазера явилось основой для разработки оптических систем связи большой инфор­мационной емкости, так как частота колебаний лазера лежит примерно в области (2—5)*10¹⁴ Гц, что в 100 тыс. раз превышает частоту существующих в настоящее время высокочастотных систем связи.

Наиболее перспективной направляющей системой для оптиче­ских систем связи оказались диэлектрические волноводы, или во­локна, как их называют из-за малых поперечных размеров и ме­тода получения. Диэлектрические волноводы оптического диапа­зона называют также световодами. Хотя затухание волоконных световодов из стекла вначале было порядка 1000 дБ/км. В 1970 г. были созданы волоконные световоды с затуханием 20 дБ/км. Сердечник этого световода был изготовлен из кварца с добавкой титана для увеличения коэффициента преломления, а оболочкой служил чистый кварц. В 1974 г. затухание было снижено до 4 дБ/км, а в 1979 г. получены световоды с затуханием 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм.

Напомним некоторые преимущества ВОЛС по сравнению с обычными кабельными линиями.

1. Высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним
электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных
помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель.

Рекомендуемые материалы

2. Значительно большая широкополосность.

3. Малая масса и габаритные размеры.

4. Полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчи­ка и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования.

5. Отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы для пересечения опасных зон без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара в зонах с горючими и легковоспламеняющимися средами.

6.  Низкая стоимость.

Схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис. 1. Электрический сигнал после аппаратуры пере­дачи преобразуется в световой, передается по волоконно-оптическому кабелю и попадает на фотоприемник, преобразующий световые импульсы в электрические, которые усиливаются и демодулируются. Волоконно-оптические линии связи на большие расстоя­ния должны иметь ретрансляторы, где происходит преобразование оптических сигналов в электрический эквивалент, усиление, восстановление исходной формы сигнала, после чего электрические сигналы преобразуются в оптические путем модуляции полупроводникового квантового генератора или светодиода.

IРис. 1. Структурная схема волоконно-оптической линии связи

Типичный оптиче­ский ретранслятор, включающий лазер, модулятор, детектор, линзы и т. д., выполненный на оптической скамье, имеет много недостатков. Традиционные оптические приборы, которые должны быть юстированы с чрезвычайно высокой точностью, очень чувствитель­ны к изменениям температуры и малейшим вибрациям раздельно установленных частей. Решение этих проблем состоит в том, что­бы объединить раздельные компоненты на одной подложке, соеди­нив их миниатюрными оптическими передающими линиями или световодами. Основные концепции интегральной оптики сформулированы в конце 60-х годов. Ставилась задача создания интегральных опти­ческих схем обработки сигналов, которые должны быть согласо­ваны с волоконно-оптическими линиями связи. Интеграция оптических компонент облегчается, если они изготовлены миниатюрными в тонкопленочной форме. Поскольку размеры компонент имеют порядок длины волны света в одном или, возможно, в двух измерениях, то подложка для всей функциональной схемы получается достаточно малой — сантиметры или меньше.

§6.15.2. Световоды.

Простейший световод представляет собой круглый или прямоугольный диэлектрический стержень, называемый сердечником, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердечника , а оболочки —, где  и— относительные диэлектрические проницаемости. Относительная магнитная проницаемость материала обычно постоянна и равна единице. Показатель преломления оболочки постоянен, а сердечника в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред, поэтому необходимо .

В зависимости от величины угла , который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (рис. 2), имеют место волны излучения 1  волны оболочки 2 и сердечника 3. В сердечнике и оболочке существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода не пересекаются. На рис. 2 показаны меридиональные лучи. Если угол падения меньше некоторого критического угла _кр, который согласно закону Снеллиуса определяется соотношением

то луч полностью отражается на границе «сердечник — оболочка» и остается внутри сердечника (луч 3). Оболочка защищает распространяющийся по сердечнику свет от любых внешних воздействий и помех.

Такое объяснение направляемости света основано на законах геометрической оптики и не учитывает свойств света как электро­магнитной волны. Учет волновых свойств света позволил установить, что из всего континуума световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для данного световода только ограниченное число лучей с дискретными углами может образо­вывать направляемые волны, которые называют также волноводными модами. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений от границы «сердечник — оболочка» (или «оболочка — окружающее пространство») волны должны быть в фазе. Если это условие не выполняется, то волны интерферируют так, что гасят друг друга и исчезают. Каждая волноводная мода обладает характерной для нее структурой электромагнитного поля, фазовой и групповой скоростями.

Волны излучения распределяются непрерывно по всей принад­лежащей им области углов и образуют непрерывный спектр. Волны оболочки и волны излучения — паразитные волны, которые отбирают энергию источника возбуждения и уменьшают полезную энергию, передаваемую по сердечнику. Эти волны трудно пол­ностью исключить при возбуждении световода. Кроме того, они также возникают на геометрических нерегулярностях световода и неоднородностях материала.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) световоды разделяются на одномодовые и многомодовые. На рис. 3 приведены поперечные сечения некоторых волоконных световодов для оптических кабелей (ОК) и профили распределения показателя преломления по поперечному сечению.

Для характеристик световода большое значение имеет профиль показателя преломления в поперечном сечении. Большой практи­ческий интерес представляют неоднородные в поперечном сечении световоды, так как они могут иметь такие характеристики, которые невозможно получить у однородных световодов. Если сердечник световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (есть ступенька  на границе «сердечник — оболочка»). Если показатель преломления от центра к краю изменяется не ступенчато, а плавно, то такие световоды называются световодами с градиентным профилем показателя преломления, или градиентными световодами. В градиентных световодах лучи изгибаются в направлении градиента показателя преломления (вместо преломления либо полного отражения, как в случае волокна со ступенчатым профилем).

Обратите внимание на лекцию "3.8. Информационно-вычислительная сеть ОВД".

Рис.3. Поперечные сечения и распределения показателя преломления для некоторых типов волоконных световодов;

а) одномодовый двухслойный световод; б) одномодовый  W-световод; в)  многомодовый световод со ступенчатым профилем показателя преломления; г) градиентный многомодовый световод; д) световод с осевым провалом в профиле показателя преломления; е, ж, з) световоды, изготовленные полностью из одного материала.

Наиболее изучены характеристики световодов, для которых профиль показателя преломления описывается функцией

где  — текущий радиус;  — относительная разность показателей преломления;  — показатель степени, определяющий изменение ;  — радиус сердечника.

     Важным параметром световодов являются геометрические размеры сердечника и оболочки. Для многомодовых световодов обычно диаметр сердечника 50 мкм, а диаметр оболочки 125 мкм.