Волоконная оптика и ее применение

Рис. 8. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля

Волоконные световоды

Основным элементом ОК является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками (показателями преломления ). Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе “сердцевина--оболочка” и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки.Сердцевина и оболочка изготовляются из кварца , покрытие -- из эпоксиакрилата, фторопласта, нейлона, лака и других полимеров.

Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. Одномодовые волокна имеют тонкую сердцевину (6…8 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число волн. Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности обладают одномодовые волокна. У ступенчатых световодов показатель преломления в сердечнике постоянен, имеется резкий переход от сердцевины к оболочки и лучи зигзагообразно отражаются от границы “сердечник--оболочка”. Градиентные световоды имеют непрерывное плавное изменение показателя преломления в сердцевине по радиусу световода от центра к периферии, и лучи распространяются по волнообразным траекториям. Показатель преломления сердцевины меняется вдоль радиуса по закону показательной функции

,

где -- максимальное значение показателя преломления на оси волокна, т. е. при r=0; и-- показатель степени, описывающей профиль изменения показателя преломления:

Чаще всего применяются световоды с параболическим профилем. В этом случае и=2 и соответственно:

Если принять , то получим известное значение п ступенчатого световода

.

Дисперсия и пропускная способность

Физические процессы в волоконных световодах

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости , ОК имеют совершенно другой механизм -- они обладают токами смещения , на основе которых действует также радиопередача. Отличие от радиопередачи состоит в том, что волна не распространяется в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в заданном направлении (рис.10).

Рис.10 Процесс передачи:

а--радиосвязь; б--волоконно-оптическая связь

Передача волны по световоду осуществляется за счет отражений ее от границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления . В обычных кабелях носителем передаваемой информации является электрический ток, а в ОК--лазерный луч.

В обычных широко используемых в настоящее время симметричных и коаксиальных кабелях передача организуется по двухпроводной схеме с применением прямого и обратного проводников цепи (рис.11).

Рис. 11. Передача энергии по двухпроводным (а) и волноводным (б) направляющим средам

В световодах, волноводах и других направляющих средах (НС) нет двух проводников, и передача происходит волноводным методом по закону многократного отражения волны от границ раздела сред. Такой отражательной границей может быть металл--диэлектрик, диэлектрик--диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами и др.

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) НС характеризуется в первую очередь соотношением между длиной волны и поперечными размерами направляющей среды .

При должно быть два провода: прямой и обратный, и передача происходит по обычной двухпроводной схеме; в противном случае не требуется двухпроводная система, и передача осуществляется за счет многократного отражения волны от границ раздела сред с различными характеристиками. Поэтому передача по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) возможна лишь в диапазоне очень высоких частот, когда длина волны меньше, чем поперечные размеры--диаметр НС.

Оптические микронные волны подразделяются на три диапазона: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (табл.2). В настоящее время используются в основном волны длиной 0,7...1,6 мкм и ведутся работы по освоению ближнего инфракрасного диапазона: 2; 4; 6 мкм.

Таблица 2

Таким образом, для передачи электромагнитной энергии применяются электрические оптические кабели, а также радиосвязь (табл.3).

Таблица 3 (Передача по электрическим (ЭК), оптическим (ОК) кабелям и радиосвязным каналам (РС) )

В разных системах используются различные среды (направляющая или открытая) и токи ( и ). Особенности этих НС связаны с частотными ограничениями при передаче энергии.

Принципиально различен частотный диапазон передачи по волноводным и двухпроводным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки -- критическую частоту , ведут себя как фильтры ВЧ, и по ним возможна лишь передача волн длиной менее чем . Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и способны передавать весь диапазон частот -- от нуля и выше.

Заключение

Открылись широкие горизонты практического применения ОК и волоконно-оптических систем передачи в таких отраслях народного хозяйства, как радиоэлектроника, информатика, связь, вычислительная техника, космос, медицина, голография, машиностроение, атомная энергетика и др. Волоконная оптика развивается по шести направлениям:

- многоканальные системы передачи информации;

- кабельное телевидение;

- локальные вычислительные сети;

- датчики и системы сбора обработки и передачи информации;

- связь и телемеханика на высоковольтных линиях;

- оборудование и монтаж мобильных объектов.

Многоканальные ВОСП начинают широко использоваться на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это большой информационной способностью ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали. Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из библиотеки и учебных центров.

На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного допуска.

Волоконно-оптические датчики способны работать в агрессивных средах, надежны, малогабаритны и не подвержены электромагнитным воздействиям. Они позволяют оценивать на расстоянии различные физические величины (температуру, давление, ток и др.). Датчики используются в нефтегазовой промышленности, системах охранной и пожарной сигнализации, автомобильной технике и др.Весьма перспективно применение ОК на высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики. Оптические волокна встраиваются в фазу или трос. Здесь реализуется высокая защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП и грозы. Легкость, малогабаритность, невоспламеняемость ОК сделали их весьма полезными для монтажа и оборудования летательных аппаратов, судов и других мобильных устройств.

В последнее время появилось новое направление в развитии волоконно-оптической техники -- использование среднего инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм. Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0,02 дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с участками регенерации до 1000 км. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка. Ожидаются новые интересные результаты в использовании нелинейных оптических явлений, в частности соли тонного режима распространения оптических импульсов, когда импульс может распространяться без изменения формы или периодически менять свою форму в процессе распространения по световоду. Использование этого явления в волоконных световодах позволит существенно увеличить объем передаваемой информации и дальность связи без применения ретрансляторов.

Весьма перспективна реализация в ВОЛС метода частотного разделения каналов, который заключается в том, что в световод одновременно вводится излучение от нескольких источников, работающих на разных частотах, а на приемном конце с помощью оптических фильтров происходит разделение сигналов. Такой метод разделения каналов в ВОЛС получил название спектрального уплотнения или мультиплексирования.

При построении абонентских сетей ВОЛС кроме традиционной структуры телефонной сети радиально-узлового типа предусматривается организация кольцевых сетей, обеспечивающих экономию кабеля.Можно полагать, что в ВОСП второго поколения усиление и преобразование сигналов в регенераторах будут происходить на оптических частотах с применением элементов и схем интегральной оптики. Это упростит схемы регенерационных усилителей, улучшит их экономичность и надежность, снизит стоимость. В третьем поколении ВОСП предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустических преобразователей. Уже разработан оптический телефон и проводятся работы по созданию принципиально новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы. Имеются примеры создания многопозиционных быстродействующих оптических переключателей, которые могут использоваться для оптической коммутации.

На базе ОК и цифровых систем передачи создается интегральная сеть многоцелевого назначения, включающая различные виды передачи информации (телефонирование, телевидение, передача данных ЭВМ и АСУ, видеотелефон, фототелеграф, передача полос газет, сообщений из банков и т. д.). В качестве унифицированного принят цифровой канал ИКМ со скоростью передачи 64 Мбит/с (или 32 Мбит/с).Для широкого применения ОК и ВОСП необходимо решить целый ряд задач.

К ним прежде всего относятся следующие:

- проработка системных вопросов и определение технико-экономических показателей применения ОК на сетях связи;

- массовое промышленное изготовление одномодовых волокон, световодов и кабелей, а также оптоэлектронных устройств для них;

- повышение влагостойкости и надежности ОК за счет применения металлических оболочек и гидрофобного заполнения;

- освоение инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм и новых материалов (фторидных и халькогенидных) для изготовления световодов, позволяющих осуществлять связь на большие расстояния;

- создание локальных сетей для вычислительной техники и информатики;

разработка испытательной и измерительной аппаратуры, рефлектометров, тестеров, необходимых для производства ОК, настройки и эксплуатации ВОЛС;

- механизация технологии прокладки и автоматизация монтажа ОК;

совершенствование технологии промышленного производства волоконных световодов и ОК, снижение их стоимости;

- исследование и внедрение солитонового режима передачи, при котором происходит сжатие импульса и снижается дисперсия;

- разработка и внедрение системы и аппаратуры спектрального уплотнения ОК;

создание интегральной абонентской сети многоцелевого назначения;

создание передатчиков и приемников, непосредственно преобразующих звук в свет и свет в звук;

- повышение степени интеграции элементов и создание быстродействующих узлов каналообразующей аппаратуры ИКМ с применением элементов интегральной оптики;

- создание оптических регенераторов без преобразования оптических сигналов в электрические;

- совершенствование передающих и приемных оптоэлектронных устройств для систем связи, освоение когерентного приема;

- разработка эффективных методов и устройств электропитания промежуточных регенераторов для зоновых и магистральных сетей связи;

оптимизация структуры различных участков сети с учетом особенностей применения систем на ОК;

- совершенствование аппаратуры и методов для частотного и временного разделения сигналов, передаваемых по световодам;

- разработка системы и устройств оптической коммутации.

Список используемой литературы

1. "Волоконно-оптическая техника", Технико-коммерческий сборник. М., АО ВОТ, N1, 1993

2. "Волоконно-оптические линии связи" Справочник. под ред. Свечникова

С.В. и Андрушко Л.М., Киев "Тэхника", 1988

3. Морозов "Оптические кабели", Вестник связи, N 3,4,7,9, 1993

4. Десурвир "Световая связь: пятое поколение", В мире науки,N 3, 1992

5. "Зарубежная техника связи", сер. "Телефония, телеграфия, передача данных", ЭИ вып. 11-12, 1991