Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003) (1095923), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Сверхвысокая пропускная способность. Это объясняется, прежде всего,широкополосностью всех элементов ВОЛС (излучатель - волоконный тракт фотоприемник), использованием принципа оптического мультиплексированияи возможностью размещения в кабеле большого числа волокон. Представляетсядостижимой скорость передачи информации 1012-1013 бит/с по одному кабелю.Важнейшим путем повышения пропускной способности ВОЛС является использование принципа мультиплексирования во всех его возможных аспектах.Речь идет о технологическом, временном, спектральном, пространственном уплотнении каналов передачи.
Первые два аспекта - использование в одном кабеле большого числа невзаимодействующих волокон и временное мультиплексирование - обсуждались выше. Спектральное уплотнение основано на том, чтопо одному и тому же световоду могут одновременно и не смешиваясь передаваться сигналы, соответствующие оптическому излучению различных длинволн. В простейшем варианте на вход волокна через систему интерференционных фильтров подаются сигналы от нескольких лазеров (например, трёх). Навыходе волокна интерференционная система, обратная входной, разделяет различные спектральные потоки, направляя их на три фотоприёмника - в итогепропускная способность линии утраивается.
Оценки показывают, что на существующей элементной базе число информационных каналов реализуемых, водиночном волокне одновременно на различных оптических несущих можетдостигать 10; теоретически предельное число для диапазона λ = 0,8-1,6 мкмпревышает 102 каналов. Использование всех возможностей спектрального уплотнения требует создания новой, более сложной элементной базы:многочастотных лазеров (образцы двухчастотных лазеров на основе двухразных меза-структур на одном кристалле уже получены), избирательныхфотоприемников, эффективных разветвителей, интерференционных фильтров идр.120Пространственное уплотнение осуществляется двумя способами: при передаче различно поляризованных мод по волокну, сохраняющему направлениеполяризации, и передаче нескольких мод с различными углами падения.
На выходе все эти потоки пространственно разделяются, и каждый воспринимаетсясвоим фотоприемником. Второй способ - «азимутальное» уплотнение - смыкается с проблемой передачи двухмерных изображений по одиночному волокну.Реальные достижения здесь пока невелики: передача трех лучей на расстояниедо 250 м с подавлением перекрестных помех на уровне 40 дБ.
Для развитияпространственного уплотнения также требуется создание принципиально новых, технических средств, в первую очередь волокон с несмешиваемым распространением мод.Определенные надежды на увеличение скорости передачи информации связываются с использованием нелинейно-оптических явлений.3. «Электрогерметичность». Волоконный световод не чувствителен к внешним электромагнитным воздействиям и сам практически не излучает в окружающее пространство.
Этим обеспечивается помехозащищенность ВОЛС искрытность передачи информации. Тем самым развитие ВОЛС открывает кардинальный путь решения проблемы электромагнитной совместимости.4. Малые габариты и масса. Характерными в этой связи являются три момента. Во-первых, диаметр типичного волоконного модуля составляет всего0,3-0,5 мм, а площадь поперечного сечения светоканалируемой области (с учетом необходимых отражающей и защитной оболочек) может быть менее10-5 см2. Во-вторых, удельная масса; используемых материалов (кварц) в несколько раз меньше, чем у металлов (медь, свинец); во многих случаях волоконный кабель не имеет защитного металлического экрана или этот экран болеелёгкий.
В-третьих, используемые в оконечных устройствах и в ретрансляторахоптоэлектронные элементы миниатюрны, экономичны и легки. В итоге присравнении с проводными линиями связи ВОЛС дают выигрыш по массе в 2-5раз, а в отдельных случаях и в 30-100 раз.Малый вес светодиодов обусловлен очень малым их диаметром, к тому жеудельный вес кварцевого стекла (2,3 г/см3). Вес одного световода длиной 1 км(без пластмассовой оболочки) составляет 27 г, для сравнения - вес одной медной жилы такой же длины и диаметром 1мм равен примерно 7 кг.Предельное натяжение световодной нити диаметром 125 мкм составляет68,77 Н (7 кГ), примерно в 2 раза больше, чем для фортепианной струны той жетолщины.5.
Эксплуатационные преимущества. Оптоэлектронные принципы преобразований и передачи информации в ВОЛС, использование кварца в качестве передающей среды обусловливают наличие электрической развязки между входом и выходом линии; однонаправленность потока информации, отсутствие обратной реакции приемника на передатчик; пожаро- и взрывобезопасность (исключение искрения и самовозгорания); стойкость волокон к коррозии; высокиепрочность волоконных световодов и предельную температуру волокон (до1000° С); простоту прокладки волоконно-оптического кабеля.1216. Низкая стоимость.
Отметим прежде всего неограниченный сырьевой ресурс для производства кварцевых волокон, тогда как запасы меди и свинца непрерывно истощаются. Большая длина межретрансляционного пролета и высокая информационная емкость оптических каналов резко сокращают аппаратурные расходы по сравнению с проводными связными системами. Наконец, значительный экономический эффект обусловливается простотой прокладки иэксплуатации ВОЛС.Области практического применения ВОЛС чрезвычайно широки. В зависимости от протяжённости они условно делятся на объектовые, городские (межгородские, зоновые) и магистральные, вплоть до межконтинентальных.Внутриобъектовые ВОЛС – это относительно короткие (1-100 м) бортовыелинии на кораблях, самолётах, ракетах и космических аппаратах, внутри учреждений и предприятий, в аппаратуре контроля и управления (работающей в условиях сильных помех, с высоковольтными и сильноточными цепями), для передачи световых импульсов большой мощности в лазерной технологии, медицине и т.п.
Для внутриобъектной линии связи оптические потери, модовая ихроматическая дисперсия - не очень критические характеристики. Выделяюттакже так называемые монтажные волоконно-оптические кабели (длиной до10-30 м), предназначенные для внутриблочных и межблочных соединений ваппаратуре.Городские ВОЛС имеют среднюю протяженность до 50-100 км, межгородские (зоновые) - до 200-300 км и предназначены для связи ЭВМ с отдалённымитерминалами, устройствами сбора данных, телефонной, телеграфной и видеотелефонной связи. Следует оговорить использование ВОЛС для многопрограммного телевидения, что важно как с точки зрения повышения качества инадёжности передачи в условиях сильных помех, экранирования высотнымизаданиями, рельефом местности, так и радикальной перестройки информационной службы, соединения абонентов с крупными библиотеками, банками данных, информационно-вычислительными центрами и др.Назначение магистральных ВОЛС - передача информации на большие расстояния (сотни и тысячи километров).
При минимальных оптических потеряхони должны быть устойчивыми к многолетним воздействиям неблагоприятныхвнешних факторов (например, при укладке под землёй, под водой). В магистральных ВОЛС используют дорогостоящие оптические кабели, содержащиегидроизолирующую оболочку, армирующие элементы и т.п.Передачу сигналов в ВОЛС осуществляют как в аналоговой, так и в цифровой форме. Широкополосность световолокон делает предпочтительной передачу информации в цифровой форме, как более точной и надёжной, менее чувствительной к шумам и искажениям.122ЗАКЛЮЧЕНИЕОптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники.
Оптоэлектронные приборы характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньяхинформационных систем для генерации, преобразования, передачи, хранения иотображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используется много новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы,разрабатываются сверхпрецизионные технологии.
Оптоэлектроника достигластадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так какперспективы развития многих ее направлений практически безграничны. Новыенаправления чаще всего возникают как слияние – интеграция – ряда уже известных достижений оптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи; оптическиезапоминающие устройства, опирающиеся на лазерную технику и голографию;оптические транспаранты, использующие успехи фотоэлектроники и нелинейной оптики; плоские безвакуумные средства отображения информации и др.Оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют триотличительные черты.1.
Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы и средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических иэлектронных процессов.2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструктивнотехнологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризацияэлементов; предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция элементов и функций; применение специальных сверхчистыхматериалов и методов прецизионной групповой обработки.3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задачинформатики: генерации (формировании) информации путем преобразованиявнешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы;передаче информации; преобразовании информации; хранении информации(включая запись, считывание и стирание); отображении информации.Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных устройствах используются информационные сигналы в оптической и электрической формах, ноопределяющими являются оптические сигналы – именно этим достигается токачественно новое, что отличает оптоэлектронику.
Нередко оптоэлектронное(по форме) устройство фактически является оптическим, а электроника выполняет хотя и необходимые, но все же вспомогательные функции. Иными словами, в этих случаях оптоэлектроника – это оптика, управляемая электроникой.Рассмотренные в данном пособии сведения об оптоэлектронных элементах иустройствах можно считать минимально необходимыми и достаточными дляизучения, проектирования, изготовления и применения в электронных средствах.123СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫОсновная литература1. Носов Ю.В., Оптоэлектроника. - М.; Радио и связь, 1989.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
