ОПТИЧНІ ЛІНІЇ ЗВ'ЯЗКУ

Передавання світлового променя, який несе інформацію через відкриті (повітряні) канали зв'язку, дуже залежить від метеорологічних умов. Лише поява в кінці 60-х років аналогів електричних кабелів скляних волокнооптичних світловодів дала змогу реалізувати великі потенціальні можливості оптичного зв'язку в інформаційно густій та високошвидкісній передачі сигналів.

Оптичні лінії зв'язку, що включають волокнооптичні світловоди, призначені для передавання та обробки оптичних сигналів, які несуть інформацію. Повна структура оптичної лінії, зображена на рис. 3.14, складається з таких елементів: електронний кодуючий пристрій (ЕКП), передавач, волокнооптичний кабель, приймач, електронний декодуючий пристрій (ДКП). Передавач - це електронний пристрій збудження з вихідним джерелом світла. Приймач складається з одинокого або матричного фотоприймача та підсилювача слабких фотосигналів.

Рис. 3.14

В залежності від складності системи, її швидкодії та якості використаних елементів схема, що на рис. 3.14, може зазнавати змін. Дуже коротка і функціонально проста лінія зв'язку складається лише із джерела світла (світлодіода), оптичного кабеля та фотоприймача (фотодіода) без електронних пристроїв збудження (з боку передавача) і підсилення (з боку приймача), тобто це оптрон з гнучким світловодом.

Як джерела світла використовуються світлодіоди, напівпровідникові та твердотільні лазери, як приймачі - фоторезистор и, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори.

Світловод, незалежно від його форми, складається із серцевини та віддзеркалюючої оболонки. Серцевина виготовляється а органічного або неорганічного скла. На рис. 3.15, а зображено класичний світловод циліндричної форми, серцевина якого з коефіцієнтом заломлення n_с оптично густіша, ніж оболонка з коефіцієнтом заломлення n_n.

Оскільки n_с > n_n, промені, які входять у світловод під малим кутом відносно осі циліндра, повністю віддзеркалюються на межі з оболонкою всередину серцевини. При цьому світло. не виходить за межі оболонки і вся його енергія поширюється вздовж осі світловоду. Максимальний кут входження променя в світловод відносно осі φ₀, при якому ще виконується умова повного внутрішнього віддзеркалення, визначається виразом

(3.17)

Величина А₀- чисельна апертура волоконного світловоду. Промені, які входять у світловод під кутом φ > φ₀, називаються позаапертурними променями. При цьому взаємодія променів з оболонкою приводить не тільки до ефекту віддзеркалення, а також до ефекту заломлення, внаслідок чого частина світлової енергії виходить за межі оболонки. За визначеної довжини світловоду ефект багаторазового заломлення обумовлює повне розсіювання променів із світловоду.

Кількісно позаапертурні втрати для плоского джерела оцінюються приблизним співвідношенням

(3.18)

Так, для високоапертурного скляного світловоду, виготовленого з простого неочищеного скла, А₀ = 0,54 і В_аn ≈ 5,4 дБ.

Таким чином, при проектуванні оптичних ліній зв'язку необхідно насамперед приділити увагу конструкції вузла узгодження джерела світла із світловодом і вибору високоапертурного скла світловоду. Кращого узгодження світловоду з джерелом світла досягають при покращанні діаграми напрямленості останнього, а також при малій його площі. Найбільш високу напрямленість випромінювання мають твердотільні лазери, дещо гіршу - напівпровідникові. Світлодіоди мають широку діаграму напрямленості, тому конструкцію вузла узгодження виконують так, як це показано на рис. 3.15, 6, з малою площею випромінювача 4 світлодіода 3, який кріпиться за допомогою оптичного клею 2 до світловоду 1, що знижує позаапертурні втрати.

Рис. 3.15

Крім втрат на введення променя світла, існують також втрати пропускання, які обумовлені згасанням світлового сигналу в самій серцевині. Ці втрати пов'язані з розсіюванням випромінювання вздовж світловоду внаслідок поглинання світла фарбуючими центрами – іонами домішок. Крім того, розсіювання світла обумовлене наявністю дефектів у структурі серцевини та оболонки, нерівномірним мікрорельєфом серцевини. Ослаблення світлового потоку в серцевині визначається експоненційною залежністю

(3.19)

де В₀, В_Х- інтенсивність випромінювання відповідно на вході світловоду і в точці, віддаленій від входу на відстань х; К_п - коефіцієнт лінійного ослаблення, що визначається сумою коефіцієнтів поглинання та розсіювання; l_еф- ефективна довжина шляху променя, яка залежить від показника заломлення і форми волокна, кута падіння світла та довжини його хвилі. З урахуванням (3.19) пропускання скловолокна визначається відношенням

(3.20)

Найбільш низькі втрати пропускання характерні для кварцового волокна.

Рис. 3.16

На основі елементарних світловодів створюють світловолоконні жгути (радіус волокна 10 мкм). Жгут світловодів оточують спочатку загальною внутрішньою еластичною оболонкою, а потім зовнішньою обпліткою, що забезпечує стійкість до зовнішніх дій і міцність волокнооптичного кабеля. На рис. 3.16, а зображена конструкція скловолоконного жгута для одного каналу передачі інформації. Він набраний одиничних елементарних скловолокон 1, скріплених фіксуючою оболонкою жгута 2. На рис. 3.16, б зображена конструкція найбільш типового оптичного кабеля, у якого семижильний жгут l із зміцнюючим нейлоновим або кевларовим елементом 2, оточений внутрішньою (еластичною) 3 і зовнішньою (захисною) 4 оболонками. Шістнадцятиканальний кабель з полімерним еластичним покриттям 1 в металічному рукаві 2, що являє собою броньове покриття, показаний на рис. 3.16, в.

Канали волокнооптичного зв'язку широко застосовуються для зв'язку всередині блоків і між ЕОМ, у монтажі літакової, корабельної та іншої контрольно-вимірювальної апаратури, що працює в умовах сильних електромагнітних та корпускулярних полів.

Для з'єднання плівкових активних елементів оптоелектронних систем застосовують діелектричні плівки, які виконують функції хвилеводів оптичного діапазону. На рис. 3.17, а зображений оптичний хвилевід, що являє собою смужку діелектричного матеріалу 3, нанесену на підкладку з кремнію, вкриту тонким шаром двооксиду кремнію SіО₂. Показник заломлення діелектричної смужки більший, ніж показник заломлення навколишнього матеріалу, тобто n₁ > n₂> n₀.Товщина діелектричної смужки від частин до одиниць мікрометрів, ширина - від десятків до сотень мікрометрів. Технологічні методи створення діелектричних плівок, які наносяться на діелектричну підкладку, - це іонний обмін та імплантація. Вони забезпечують потрібні показники заломлення, контрольовану товщину світловоду і його розташування. Для різних плівок значення втрат 0,3 ... 10 дБ/см.

Тепер для світловодів використовують плівки з таких матеріалів: ZnО, боросилікатного скла з додаванням іонів талію, скла типу SіО₂ + РbО, GаАs, суміші SіО₂ та Sі₃N₄, деяких фоторезистів, LіNbО₃, Та₂О₅, поліуретану. Інтегрально-оптичне відгалуження на кремнієвій підкладці здійснюється з допомогою планарних та експланарних відгалужувачів. Введення світлової хвилі 1 в оптичний хвилевід і виведення світлової хвилі б у навколишнє середовище (рис. 3.17, б) здійснюється з допомогою експланарних відгалужувачів (дифракційних решіток) 2 та 5. Таким чином, світловий промінь переводиться з одного оптичного середовища в інше. Поворот променя 4 в межах того самого оптичного середовища здійснюється планарними відгалужувачами 3.

На основі викладеного проглядаються такі особливості волоконнооптичних ліній зв'язку:

малі габаритні розміри та маса, обумовлені малою густиною вихідних матеріалів і відсутністю важких металевих екрануючих оболонок. Це особливо важливо для бортової апаратури;

абсолютна захищеність від дії зовнішніх електромагнітних полів та міжканальних наведень;

широка смуга пропускання (до 1 ... 3 ГГц). При цьому дуже важливо, що затухання в оптичному тракті не залежить від частоти, як у коаксіальному кабелі;

Рис. 3.17

однонапрямленіcть потоку інформації та гальванічна розв'язка, характерні для всіх елементів оптоелектроніки;

відсутність випромінювання в навколишнє середовище, що забезпечує секретність передаваної інформації;

потенціально низька ціна, обумовлена заміною дорогих кольорових металів (мідь, алюміній) склом, кварцем, полімерами - матеріалами з необмеженими сировинними ресурсами.

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Загальний колекторний струм фототранзистора	\|	ОПТОЕЛЕКТРОННІ ІНДИКАТОРИ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.