Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 2. Проектирование устройств на цифровых ИС (1987) (1092082), страница 6
Текст из файла (страница 6)
К недостаткам волоконно-оптических линий связи следует отнести пока еще имеющую место относительную сложность передающей и приемной аппаратуры, более строгие, чем в электрических линиях связи, условия присоединения световода к конечным устройствам. Светопроводящие свойства оптического волокна основаны на эффекте полного внутреннего отражения света от внутренней поверхности волокна. Свет, поступивший в оптическое волокно извне, распространяется в нем по зигзагообразной траектории и выходит из противоположного конца.
Если луч света модулировать, то можно передавать информацию. Модулировать световой поток можно и аналоговыми (напрнмер, телевизионными), и цифровыми (импульсными) сигналами, которыми могут быть последовательности данных от ЭВМ. Источником света может служить светодиод илн лазер, приемником — светочувствительный полевой транзистор или другой светоприемник. 1.1О.
Преломление лучей света Из оптики известно, что свет распространяется в вакууме со скоростью с=2,998 10в м/с. На границе раздела сред скорость света изменяется согласно формуле с и=— л где и — коэффициент пропорциональности. Свет, поступающий из вакуума в другую среду под некоторым углом (рис. 1.28), 39 Техника нонтазка отклоняется в сторону нормали к границе раздела сред.
Оптическая плотность среды за границей раздела больше, чем вакуума, вследствие этого скорость света в ней уменьшается. Если для вакуума принять и=1, то для среды с большей оптической плотностью коэффициент и будет больше 1. Перяекдикуляр к ясдер тес с а раедеяа сред ~ р,,у скости а сред Рис. !28. Преломление луча света, падающего под углом на границу раздела сред с разной оптической плотностью (показатслятн1 преломления).
Для преломленного луча справедливо (рис. 1.2о) выражение Мп 1Ре и= з!п 1р, Коэффициент и в оптике называется показателем преломления. Выше мы исходили из того, что свет из вакуума (я=1) переходит в среду с другой оптической плотностью. В более общем случае, когда свет переходит из одной среды в другую и показатели преломления этих сред не равны 1, выполняется соотношение 51П 1рз Пт 51П 1Р1 Па Графически этот случай проиллюстрирован на рис.
1.29. Часть падающего света отражается от поверхности раздела сред под углом 1р1. Если увеличивается угол падения луча гр1, то соответственно будет увеличиваться и угол преломления зрз, пока не достигнет 90' (рис. 1,29,б), когда луч света полностью отразится. Такое явление называется полным внутренним отражением света. Оно и используется в волоконной оптике для осевого распространения света по волокну (рис. 1.29,в). Ъь М о о Ы со о 3 с,о с и о ы с Ы о йо.
° Ыож осы Я с Мдо Й с цИ с о" с ОЫЫ СС Сс эо с ф с да о о СЫЫ ~ с И осы сйо „ Ийй с о дй ф с о.о й с' ЫО с Ы О Ы сс о, С'4 с ссо а~ Ыо ь~ сс ьф ~~1 ь, с~ь ьс Техника монтажа 4! 1.11. Структура световода На рис. 1.30 показаны продольное и поперечное сечения световода. Видно, что он состоит из сердцевины и оболочки. Сердцевина и оболочка делаются из стекла или пластмассы, но показатели преломления сердцевины и оболочки должны быть разными.
Рассматривая внимательно рисунок, можно видеть, что когда свет падает слева направо, он преломляется три раза. Обозначим соответственно показатели преломления внешней среды л,„, сердцевины л» и оболочки л . Пусть показатель преломления оболочки меньше, чем сердцевины, т. е.
л к" л„. Выше было показано, что когда угол преломления фх дости- гает 90; наступает полное внутреннее отражение. То же самое происходит в случаях, когда угол преломления становится больше 90'. Угол падения, при котором это явление наступает, называется предельным, или критическим. На рис.
1.29,б он обозначен ф!е. Подставляя значение угла фа=90' в выражение з!и фт/з!и ф,= л,(пе, получаем е!и 900 1 л л, з1п ф! е!и фте Мп фее ле ' е л отсюда л ф, =агсз1п — '. лт Таким образом, полное внутреннее отражение наступает только при одновременном удовлетворении двух условий: 1. Луч света должен проходить из среды с большей оптической плотностью в среду с меньшей плотностью. 2.
Угол падения луча на входе должен быть больше критического, В оптическом волокне на рис. 1.30 весь свет, падающий па оболочку под углом, равным или большим критического, полностью отражается, вследствие чего траектория луча внутри световода становится зигзагообразной. Полное внутреннее отражение происходит в каждой точке на внутренней поверхности оболочки до выхода луча с торца световода. Свет, падающий на оболочку внутри световода под углом, меньшим критического, затухает. Из сказанного можно сделать вывод, что не весь свет, поступающий от источника на световод, полностью отражается. Часть света, которая падает под углами, большими фю пропадает.
Наряду с критическим углом часто пользуются понятием числовой апертуры, которая выражается формулой туа = л„з!и фх — — !аль' — л„,'. 42 Глава / В действительности свет падает на вход световода под некоторым телесным углом, Как показано на рис. 1.31, свет, проходящий вне конуса, соответствующего этому углу, отражается не полностью. Лучи, прошедшие от источника в световод, падают на внутреннюю поверхность оболочки под разными угла- Селусу//егуияа я~/ Ооолочна — (о сов) онвшяяя кувейта /ое Рис.
!.30. Продольный разрез световода, состоящего из сердцевины и обо- лочки. Показатель преломления сердцевины больше, чем оболочки (ла>л ). Луч, падаюогий под углом, большим е,х, отражается полностью, не проникая в оболочку. Сает, ооотуоаюи/ий лоо уелолг жуг, те/улетая /ь/аяоилгалогуогй угол ооиелга луча Свело чяа Рис. 1.31, Полное отражение лучей света, падающих под углом ул.
В действительности лучи света, претерпевающне полное внутреннее отражение, поступают в световод под определенным телесным углом. Лучи. приходящие в световод поа большими углами, быстро аатукают, так как для них условие полного внутреннего огра. жения не удовлетворяется. редь приводит к фазовым сдвигам лучей на выходе световода. Если на световод падает импульс света с крутым фронтом, то вследствие фазовых сдвигов импульс света (световое пятно) на выходе окажется размытым и более широким, чем на входе.
° разовые сдвиги составляющих света на выходе световода при- ми, Световоды называют одномодовыми и многомодовыми в зависимости от числа распространяющихся в пих волн. Соответственно и моды разделяют на моды высшего и низшего порядков (рис. 1.32), Моды высшего порядка падают на оболочку под большими углами и проходят внутри световода более длинный путь, чем моды низшего порядка, падающие под меньшими углами.
Это различие оптических длин в свою оче- 43 Техника монтажа водят к так называемой модовой дисперсии. Такой же эффект наступает в случае, когда источник света на передающей стороне волоконно-оптической линии связи излучает не монохроматический свет. (Монохроматическим называется свет, спектр которого состоит из одной частотной составляющей.) Угол преломления света сильно зависит от частот его составляющих. Поэтому если свет, падающий на световод, состоит из состав- катода дбуоаеего оорлтдуга та1ода лившего порядва Сов лгал иа длхкодв Сига ал на Юодг Рис.
1.32. о — моды высшего и низшего порядков, распространяющиеся в световоде. Молы более аыеоиого порядка лапают иа оболочку под большими углами, поэтому их путь больше, чем мод ииашего порядка. б — дисперсия света, связанная с различными проходящими путями и, следо- вательно, с разной групповой скоростью лучей. 1.12. Типы световодов В последнее время разработаны оптические волокна с самыми различными свойствами. При этом учитывались и дисперсия света и другие нежелательные эффекты. Материалом для сердцевины и оболочки служат стекло, пластмасса и их смеси. В соответствии с конструктивным решением световоды бывают одномодовые, многомодовые и градиентные.
Схематически они показаны на рис. 1.33. ляющих с разными частотами (свет солнца, электроламп), то на выходе световода каждая составляющая будет иметь свой фазовый сдвиг и импульс света станет более широким. Расширение импульса в свою очередь сказывается на допустимой для данной оптической линии связи скорости потока информации. Поэтому, чтобы удовлетворить требованиям относительно амплитудно-частотной характеристики (пропускной способности канала), дисперсия света должна быть как можно меньшей. Глава 1 Одномодовый световод состоит из тонкой нитевидной сердцевины и более толстой оболочки.
Благодаря топкой сердцевине (ее диаметр около 50 мкм) и почти одинаковым показателям преломления сердцевины и оболочки свет по световоду распространяется практически вдоль оптической оси. Такой ,уаеоя иелгеяееьгя лол'аоалтел орало сглеяия гг серттсуе~ояу Рис. 1.33. Световоды. а одноыодоный; 6 — ыногоыоданый; н — градиентный. режим распространения света устанавливается только при больших углах падения лучей на вход световода (мода низшего порядка). Отсюда и название световода — одномодовый.
У одномодовых световодов, на вход которых поступает моно- хроматический свет, на выходе практически не возникает дисперсии и, следовательно, расширения импульса, Поэтому они допускают модуляцию света с частотами выше 50 ГГц. отлети оесеоя ось Рис. 1.34. Луч света, обвивающий оптическую ось градиентного световода. У градиентных световодов четкой границы между сердцевиной и оболочкой не существует — один элемент конструкции плавно переходит в другой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
