7 Световодные (оптические) линии передачи
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Передача световой энергии по волоконно-оптическим световодам основана на использовании явления полного внутреннего отражения, впервые открытого в 1870 г. Дж. Тиндалем [1]. Идея использования световодов для передачи оптической информации была высказана в 20-е годы нашего столетия. В 60-е годы начали разрабатываться технологические процессы изготовления стеклянных волокон, предназначенных для использования их в электронном приборостроении [2,3—5]. В конце 60-х годов было дано описание основного закона передачи излучения через пучок световодов [6, 7]. Открытие принципиально новых источников света — лазеров и светодиодов — существенно расширило области применения световодов для создания оптических линий связи.
В конце 60-х и начале 70-х годов началась разработка систем передачи информации в оптическом диапазоне с использованием оптических кабелей. В состав линейного тракта оптических систем входят оптический кабель, устройства сопряжения со стандартной многоканальной аппаратурой (цифровой или аналоговой), регенерационные (усилительные) пункты, модуляторы подсистемы электропитания, телеконтроля и сигнализации. Наряду с разработкой систем ведутся работы по оптимизации элементов волоконной оптики. Для широкого внедрения оптических систем необходимы улучшение характеристик основных элементов и снижение их стоимости.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОВОДОВ
Световодные линии передачи предназначены для передачи электромагнитной энергии в оптическом диапазоне длин волн. Они могут быть использованы при передаче световых сигналов на расстояние от нескольких миллиметров, например, в логических элементах интегральных микросхем цифровых вычислительных машин до десятков километров — в области оптической дальней связи [8-13].
Различные волоконно-оптические линии применяются в медицинском, научном и техническом приборостроении, лазерной технике, в системах связи и телевизионных системах, в вычислительной технике, в репрографии, фотографии и кинематографии, в перископах подводных лодок, для передачи флуоресцентного изображения в рентгеноскопии и т. д. Перспективность оптических систем обусловлена возможностью передачи огромного количества информации на большие расстояния при малых затратах энергии, так как эти системы имеют высокую направленность излучения.
К достоинствам световодных линий передачи относятся:
малые размеры (диаметр волокна составляет десятки и сотни микрон) и соответственно малый расход материала (примерно граммы на 1 км);
высокая степень гибкости; допускаются изгибы оптического кабеля с малым радиусом кривизны — несколько сотен длин волн;
нечувствительность к внешним электромагнитным полям и малый уровень взаимных помех между волокнами при соответствующей светоизоляции и отсутствии металлических элементов;
возможность передачи сигналов с очень большой скоростью — до 10 000 М'бит/с;
высокая стабильность параметров в рабочем диапазоне температур и значительная широкополосность линии. Одномодовое волокно имеет полосу пропускания не менее 1 ГГц;
сравнительно низкая стоимость линии и отсутствие дефицитных металлов.
Рис. 7.1. Частотные области применения различных линий передачи:
СК — симметричных кабелей; КК — коаксиальных кабелей; СПК — сверхпроводящих кабелей; В — волноводов; С — световодов
На рис. 7.1 приведены графики частотной зависимости коэффициента затухания различных линий передачи. Из этого рисунка видно, что коэффициент затухания оптических линий имеет сравнительно небольшие значения в диапазоне частот 1014— 1015 Гц. Наряду с этим, в отличие от других видов линий передачи, световоды позволяют обеспечить большую пропускную способность (30 000—100 000 каналов) при полной защищенности от внешних электромагнитных полей и отсутствии взаимных переходных влияний.
Световодами называются линии передачи, предназначенные для направления света в сравнительно узком пространственном канале. Световодной системой в канале связи называется любая система, состоящая из световодных линий передачи.
Все известные световоды можно разделить на четыре группы
- полые (металлические или диэлектрические) с зеркальной внутренней поверхностью;
- световоды поверхностной волны (диэлектрические волноводы);
- диафрагмированные, зеркальные, линзовые;
- волоконные световоды.
Световоды первой группы имеют большие размеры по сравнению с волоконными. Световоды второй группы слабо защищены от внешних влияний. Световоды с периодической фокусировкой по ряду параметров уступают волоконным. Таким образом, волоконные световоды оказываются самыми предпочтительными.
Рис. 7.2. Линзовый световод:
1 — луч; 2 — линза; 3 — труба
Линзовый световод представляет собой металлическую трубку с периодически (через каждые 50—200 м) расположенными стеклянными линзами (рис. 7.2). При помощи линз луч фокусируется и передается по центральной зоне световода. В линзовом световоде основные потери обусловлены отражением и поглощением энергии в линзах, так как стенки трубки не участвуют в передаче луча. Кроме того, имеются дифракционные потери. Общие потери на участке линзового световода могут составлять 2,5 дБ/км. Недостатком линзовых систем является их зависимость от внешних условий, необходимость прямолинейной прокладки, связанной с выполнением точных и сложных строительных работ.
В газовых световодах фокусировка световодного луча в центральной зоне осуществляется с помощью газа. Газовые линзы устанавливают в трубке через каждые 50—100 м (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Газовый световод:
1 — луч; 2 — линза; 3 — труба; 4 — пластмассовая втулка; 5 — нагревательная спираль; 6 - электропитание
Газовая линза представляет собой пустотелую диэлектрическую втулку, на которую навита спираль подогревателя. Температура у внутренней поверхности трубки несколько выше, чем в центре. Поэтому плотность газа в центральной зоне выше, чем у стенок трубки. Вследствие различных значений показателя преломления газа в радиальном направлении луч света фокусируется внутри трубки и передается вдоль газового световода. Коэффициент затухания газовых световодов может составлять 2—4 дБ/км.
В зеркальных световодах луч фокусируется при помощи перископической системы зеркал, устанавливаемых вдоль трубки через каждые 100—500 м (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Зеркальный световод:
1 — луч; 2 — зеркало; 3 — труба
Зеркала корректируют луч света и передают его в заданном направлении. Потери энергии в зеркальных световодах могут составлять 2—3 дБ/км.
Волоконные световоды могут состоять из тонких однослойных, двухслойных или трехслойных стеклянных волокон, изготавливаемых из стекол с малыми потерями и с различными оптическими характеристиками. Выпускаемое ранее стекловолокно содержало большое количество загрязняющих примесей. Затухание энергии в нем равнялось сотням и даже тысячам децибел на километр. В последние годы благодаря значительным достижениям в технологии получения особо чистых материалов получены оптические волокна, в которых затухание энергии порядка 5—10 дБ/км.
