3. Світловоди (Оптичні кабелі)

• останнє десятиріччя розвитку оптичних систем зв’язку приді-ляється особлива увага. Перспективність оптичних систем обу-мовлена можливістю передачі великих масивів інформації на великі відділі при малих втратах енергії, так як ці системи ма-ють високу спрямованість випромінювання.

Система оптичного зв’язку показана на рис. 4.3. Основою такої системи є оптичний кабель, по якому розповсюджуються світ-лові коливання. На передавальному кінці включений світло гене ратор, наприклад, лазер, який перетворює електричні коливан-ня в світлові промені видимого діапазону. На приймальному кін-

Р ис.4.3 Система оптичного зв'язку ці розташований світлоприймач (напр. фотодіод),

в якому світлові промені зворотно перетворюються в електрич-

ні коливання. Лазерні системи працюють в оптичному діапазоні

хвиль ( 10 ¹⁴ - 10 ¹⁵ Гц)

Принцип дії квантових приладів (лазерів) побудований на використанні випромінювання речовиною фотонів під дією зовнішнього електромагнітного поля. В даний час відомі різні типи лазерів, наприклад, напівпровід-никові, твердотільні лазери на основі рубіна, сапфіра, берилія та інших матеріалів. Є також газові лазери, в яких використовують свічення газів.

Відміна лазерного випромінювання від звичайного в тому, що в першому випадку має місце строго фазова-ний, когерентний тобто узгоджений в часі і просторі, рух світлових частинок – фотонів, а звичайне світло – це хаотичний рух фотонів. Крім того, лазерне випромінювання має е/м природу, а звичайне – теплову. Лазерний промінь має цілу низку прекрасних властивостей. Він розповсюджується на великій відстані і має строго прямолінійний напрямок. Промінь рухається дуже вузьким пучком з малою ступенем розсіювання. Так, наприклад, лазерний промінь досягає місяця з фокусуванням всього в сотні метрів. Світлова інтенсив-ність променя лазера більша, ніж інтенсивність самих світлових джерел світла. Оптичний зв'язок з застосу-

ванням лазерів використовується в атмосфері, в космосі і по світловодах.

22

Типи світловодів

Відомі в даний час світловоди можна розділити на два класи: лінзові з періодичним фокусуванням променя і волоконні з безперервним фокусуванням променя. Лінзовий світловод представляє собою металеву трубку з періодично розташовани-ми лінзами, всередині якої розповсюджується лазерний промінь. За рахунок лінз здійснюється фокусування променя і спрямування його по центру світловоду. Волоконний світловод представляє собою тонку двошарову скляну нитку круглого поперечного перерізу з скла з різними характерами заломлення променя (рис. 4.4)

Рис.4.4 Волоконний світловод. а – сердечник; в - оболонка

. Для ефективної передачі необхідно, щоб розміри сердечника волокна були спів розмірні з довжиною хвилі тобто,d₂=5-10 мкм. Діаметр оболонки приймається рівн-им ( 20-30)d₂, тобто 100-300 мкм. . Природно ,що такі тонкі скловолокна не прида-тні для самостійного використання , тому їх комплектують в пучки , з яких скручує-ться кабель. Такий оптичний кабель має достатню механічну стійкість і надійність. Ззовні кабелю розміщується пластикова оболонка. Кабель має армуючі елементи, які працюють на розрив. Такий оптичний кабель можна навивати на барабан,про-кладати в землі або підвішувати в повітрі. Треба мати на увазі,що зібрані в жгут скловолокна передають світлові промені незалежно один від одного.

На мал. 4.6 показна одна з можливих конструкцій оптичного кабелю. Кожне скло-волокно складається з сердечника d₁ =5 мкм і оболочки d₂ =160мкм. Діапазон хви-ль, що використовується 0,9 – 1,09 мкм , що відповідає частотам (3,33 – 2,82)10¹⁴ Гц. Затухання кабеля (окремого скловолокна) біля 20 дб/км . Віддаль між підси-лювачами-різна.. По такому оптичному кабелю можна здійснити до мільйона23 теле-фонних розмов. З’єднання оптичних кабелів здійснюється за допомогою механіч-

них з’єднувачів. Один з таких з’єднувачів показаний на мал.4.7

Конструкція оптичного кабелю

Рис.4.6 Конструкція оптичного кабелю: 1- скло волоконний світловод 2 – пластиковий сердечник 3 – армуючий стержень 4 – демфуюча оболонка 5 – поліетиленовий шланг

Рис.4.7 Конструкція монтажного з'єднання оптичного кабелю 1 – зовнішні захисні напівмуфти 2 – пластмасова трубка 3 – епоксидна смола 4 - скловолокна

24

Надпровідникові кабелі

Рис.4.8 Температурні Залежності активного опору звичайного (1) І надпровідного кабе-лів (2)

T_k=9,28⁰K=9,28-273= =-264⁰C

t⁰C =T ⁰ K – 273,15 T⁰K = t⁰C + 273,15

В даний час надпровідність дістала розповсюдження в різних галузях науки і техніки. Для кабелів зв’язку застосування явища надпровідності дозволяє суттєво зменшити затухання кіл, організувати зв'язок без підсилювачів на величезні віддалі, а також підвищити захищеність кіл від зовнішніх завад і внутрішніх теплових шумів. Встановлено, що такі метали,як ніобій, свинець, ртуть, олово, алюміній, тантал, цинк та інші мають явище надпровідності при температурах близьких до абсолютного нуля і їх опір постійному струмові має порядок 10^-23Ом·см , що в 10¹⁷ раз менше, ніж опір міді при температурі 20⁰С В той же час такими властивостями володіють далеко не всі метали. Наприклад, такі електричні провідники, як мідь, золото, срібло не мають надпровідності в любому температурному режимі. Для кожного надпровідника існує своя критична температура, при якій виникає явище надпровідності. При цьому надпровідність появляється та щезає досить різко, скачком при досягненні критичної

температури.	На	рис.4.8показані	характерні
залежності	зміни	електричного	опору 25 від

температури для звичайних провідників( напр. Cu)

і надпровідника (наприклад, ніобія).

Критична температура деяких надпровідникових матеріалів

Надпровідниковий матеріал	Критична температура в	Критична температура в
	градусах Кельвіна	градусах Цельсія
Ніобій	9,28	-264
Свинець	7,19	-265
Тантал	4,46	-268
Ртуть	4,15	-269
Олово	3,73	-269,4
Алюміній	1,19	-271,9
Молібден	0,95	-272
Цинк	0,88	-272,2
Уран	0,8	-272,3

26

Властивості надпровідникових (кріогенних) кабелів

З таблиці, що приведена на попередньому слайді, видно, що найбільшу величину критичної температури має Ніобій, а потім свинець. Приведені дані характерні для постійного струму. При дуже високих частотах опір надпровідника зростає і має кін-цеве значення (більше ніж на постійному струмі). В області частот інфрачервоного і оптичного діапазонів 10¹² - 10¹⁵ Гц опір надпровідника стає рівним опорові провід-ника в нормальному стані. На мал. 4.9 показана частотна залежність опору звичай-ного провідника, і провідника, який має надпровідність (напр. ніобій або олово).

Як видно з цього рисунка опір мідного провідника плавно зростає з збільшенням час тоти по закону √f. Опір надпровідника (ніобія, олова) в області температур, менших критичної T<T_кр маючи нулеві значення на постійному струмові і дуже низькі зна-чення на частотах до 1 Ггц, пізніше (з ростом частоти) різко зростає по квадратич-ному закону) і досягає величини опору при звичайній температурі на частотах інф-рачервоного і оптичного діапазонів.

Основною перевагою надпровідникового кабелю є його мале затухання сигналу в охолоджено-му кабелі в порівнянні зі звичайним менше в10⁵ раз при f=1 Мгц і 10³ раз при f’= 1Ггц. Це доз-воляє здійснити зв'язок без підсилювачів на дуже великі віддалі. З конструктивних міркувань і для забезпечення екранування від зовнішніх полів надпровідникові кабелі роблять коаксі-альними. В відомих конструкціях надпровідникових коаксіальних пар, внутрішній провідник має значення біля 0,6 мм, а зовнішній біля2,5 мм. Внутрішній провідник частіше роблять з ніо-бія,а зовнішній із свинця. В якості ізоляції застосовуються різні фторополімери.

Щоб ізолювати надпровідниковий кабель від притоку тепла з навколишнього сере-довища і забезпечити постійність температури глибинного охолодження, він розмі-щується в трубопроводі з нержавіючої сталі, міді, алюмінію і теплоізулюючих мате27-ріалів

Експлуатація надпровідникових кабелів

Рис.4.9 Частотна залежність активного Опору звичайного (1) і надпровіднико-вого кабелів (2)

Охолодження серцевини надпровід-никового кабелю проводиться за до-помогою рідкого або газоподібного азоту, або водню і гелію, які прокачу-ються між трубами (3-4) надпровідни-кового кабелю трубі, в яких створює-ться і підтримується потрібна низька температура.Для довідки відзначимо, що кріогенні температури для деяких елементів, які можуть бути викорис-тані для охолодження надпаровіднико-вого кабелю(НПК) ,складають: гелій –

4,23 К -269⁰С; водень – 20К - -253⁰С; Азот – 77К - -196⁰С; кисень – 30К –

-243⁰С.

Ізолюючими матеріалами В НПК служить пінополістирол, пінополіуретан. Для забез-печення прокачки холодоагентів по трубопроводу на великі віддалі і підтримки ста-більної низької температури необхідно через 10-20 км мати кріогенні станції. Один з варіантів конструкції кріогенного/надпровідникового кабеля показано на рис 4.10.

Н едостаток кріогенних кабелів – надзвичайно велика вартість експлуатації з-за чого

28

широкого застосування вони не отримали.

Конструкція надпровідного (кріогенного) кабелю і

частотні залежності різних направляючих систем

Рис.4.10 Конструкція кріогенного кабелю

1. Коаксіальна пара;

2. Ізоляційна труба з пористого поліуретана

3. 4. Труби з нержавіющої сталі;

5.Оболонка з пінопласту;

6. Канал прямого шляху охолоджувача;

6. Канал зворотного шляху охолоджувача;

6. Оболонка з глибокого вакууму.

Рис.4.11 Частотні залежності різних направляючих систем СК – симетричний кабель; КК – коаксіальний кабель; В – хвилевод;

С – світловод (оптичний кабель;²⁹ СПК – надпровідниковий кабель.