Волоконно-оптические линии передачи

Лекция 22. Волоконно-оптические линии передачи.

Использование многожильных волоконно-оптических кабелей позволяет значительно уменьшить объем и массу электрических соединений, повысить их радиационную стойкость, исключить влияние перекрестных помех. Основу волоконно-оптической линии передачи составляет оптический кабель – световод, представляющий двухслойную конструкцию, состоящую из проводящей среды (сердцевины) и оболочки, с разными показателями коэффициентов преломления.

Передача светового сигнала происходит из-за преломления и многократного полного отражения энергии сигнала при переходе из среды с одним коэффициентом преломления в среду с другим коэффициентом преломления. На рисунке 3.10 электромагнитная волна S_пад, падая на границу двух диэлектрических сред под углом q_пад, частично отражается (S_отр) от границы раздела под углом  q_отр и частично преломляется (S_пр) под углом q_пр. При этом соблюдается соотношение n₁×sin×q_пад = n₂×sin××q_пр, где n₁, n₂ – коэффициенты преломления соответственно сердцевины и оболочки.

С увеличением угла падения q_пад возрастает угол преломления q_пр и при q_пад= q_о становится равным 90°, а преломляемый световой сигнал скользит вдоль границы раздела сред. При всех значениях q_пад> q_о преломленная волна будет отсутствовать. Угол q_о= arcsin (n₁/n₂), при котором световая энергия зигзагообразно распространяется по сердцевине световода, называют углом полного внутреннего отражения. Он определяет условие падения светового сигнала на торец световода. Если на торец световода из окружающей среды с коэффициентом преломления n₀ падает сигнал под углом a с коэффициентом преломления n₁ к оси сердцевины, то при определенном угле падения   сигнал будет полностью отражаться от границы раздела сред. Для воздушной среды (n₀=1) получим . Угол a_max между оптической осью и одной из образующих светового конуса, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения, называется апертурой. Большая апертура позволяет воспринимать и передавать максимум энергии от источника с большим углом излучения светового потока. Однако при угле a_max появится искажение, так как часть световой энергии передается по сердцевине, часть по оболочке и некоторая часть окажется в окружающем пространстве. Это приводит к разрушению и ослаблению выходного сигнала световода. Кроме того, сигнал на выходе оказывается задержанным на величину t_з за счет конечного времени прохождения по световоду.

Между углом полного внутреннего отражения q_о и апертурным углом падения луча a_max существует взаимосвязь: чем больше q_о, тем меньше a_max. Поэтому необходимо стремиться, чтобы угол входа луча в световод укладывался в апертурный угол a_max, а угол падения луча на границу сред был больше угла полного внутреннего отражения q_о.

Длина волны передаваемого по световоду сигнала связана с диаметром сердцевины выражением . Учитывая, что  и , получим

                                         ;                                   (3.14)

где l_кр и f_кр – критическая длина волны и частота передаваемого по световоду сигнала; с – скорость света.

При l_кр наблюдается режим стоячей волны, когда энергия рассеивается в окружающее пространство и по световоду не передается. При частотах выше критических энергия поля концентрируется внутри сердцевины и эффективно передается по световоду. Таким образом, в световоде могут лишь распространяться сигналы с длиной волны l<d, а световоды ведут себя как высококачественные фильтры.

В волоконно-оптической линии передачи оптическая энергия от светодиода за счет полного внутреннего отражения передается по сердцевине и воспринимается фотодиодом, ослабляясь на величину

                                           B=20lg(P_вх/P_вых)/l,                                           (3.15)

 где P_вх, P_вых  – мощность оптического сигнала на входе и выходе световода, l – длина световода.

Рекомендация для Вас - История медицины как науки.

Ослабление увеличивается при наличии неоднородностей и искривлений световода и достигает максимума, если радиус изгиба становится равным ½ длины волны передаваемого сигнала. Однако для большинства материалов световодов ограничением на минимальный радиус изгиба (обычно около 50 мм) является не чрезмерное ослабление сигнала, а растрескивание материала световода. Ослабление для кварцевых световодов составляет не более 2 дБ/км при диаметре световода 200 мкм и радиусах изгиба 50 мм.

В качестве материалов световодов используют полимеры, стекло, кварц. Световоды поставляются отрезками длиной до 100 м. Отрезки можно сращивать после шлифования торцов склеиванием, нагревом концевых частей и сращиванием под давлением, соединительными металлическими или пластмассовыми втулками.

Оптический кабель состоит из скрученных определенным образом световодов, заключенных в общую защитную оболочку. По конструктивному исполнению многожильные волоконно-оптические кабели разнообразны и отличаются числом и формой укладки световодов, способом объединения в единую конструкцию, защитой от внешних воздействий. Каждый световод покрывается одно- или двухслойной защитной оболочкой. Внешняя защитная оболочка объединяет световоды в единую жесткую конструкцию, обеспечивая защиту от воздействий. Центральная металлическая жила придает оптическому кабелю дополнительную жесткость.          

1 – световод, 2 – провод, 3 – защитная оболочка световода, 4 – защитная оболочка кабеля