2.7. Волоконно-оптические лп [5]

Использование принципиально нового конструктивного решения тех­ники соединений — многожильных волоконно-оптических кабелей — по­зволяет значительно уменьшить объем и массу электрических соединений, повысить их радиационную стойкость, исключить влияние перекрестных помех. Основу волоконно-оптической ЛП составляет оптический кабель — световод, представляющий (рис. 71) двухслойную конструкцию, состоя­щую из проводящей среды (сердцевины) и оболочки, с разными показате­лями коэф-фициентов преломления.

Передача светового сигнала происходит из-за преломления и полного многократного отражения энергии сигнала при переходе из среды с од­ним коэффициентом преломления в среду с другим коэффициентом преломления. На рис. 71, а электромагнитная волна S_пад, падая на границу двух диэлектрических сред под углом _пад , частично отражается (S_отр) от границы раздела под углом _пр и частично преломляется (S_пр) под углом _пр. При этом соблюдается соотношение , где n₁, п₂ — коэффициенты преломления соответственно сердцевины и оболочки.

Рис. 71. Схема распределения и траектория распространения оптического

сигнала в световоде

С увеличением угла _пад возрастает угол _пр и при _пад = ₀ становится равным 90°, а преломленный световой сигнал скользит вдоль границы раздела сред (см. рис. 71, б). При всех значениях _пад > ₀ преломленная волна будет отсутствовать. Угол ₀ = arc sin(n₁/ n₂), при котором световая энергия зигзагообразно распространяется по сердцевине световода (рис. 71, в), называют углом полного внутреннего отражения.

Угол полного внутреннего отражения определяет условие падения светового сигнала на торец световода. Если на торец световода из окру­жающей среды с коэффициентом преломления n₀ падает сигнал под углом с коэффициентом преломленияn₁ к оси сердцевины, то при определен­ном угле падения сигнал будет полностью отражаться от границы раздела сред сердцевина—среда. Для воздушной среды (n₀= 1) получим . Угол между оптической осью и од­ной из образующих светового конуса, при котором выполняется условие полного внутреннего отраже­ния, называетсяапертурой. Большая апертура по­зволяет воспринимать и передавать максимум энер­гии от источника с большим углом излучения свето­вого потока. Однако при угле появятся искажения, так как часть световой энергии передастся по сердцевине, часть по оболочке и некоторая часть окажется в окружающем пространстве. Это приводит к расширению и некоторому ослаблению выходного сигнала световода (рис. 72). Кроме того, сигнал на выходе оказывается задержанным на величинуt₃ за счет конечного времени про­хождения по световоду.

Рис. 72. Задержка и искажение сигнала на выходе световода

Между углом полного внутреннего отражения ₀ и апертурным углом падения луча существует взаимосвязь: чем больше ₀, тем меньше . Поэтому необходимо стремиться, чтобы угол входа луча в световод уклады­вался в апертурный угол, а угол падения луча на границу сердцевина-среда был больше угла полного внутреннего отражения ₀.

Длина волны передаваемого по световоду сигнала связана с диаметром сердцевины выражением . Учитывая, чтои, получим

где и- критическая длина волны и частота передаваемого по световоду сигнала;с – скорость света.

При имеет место режим стоячей волны, когда энергия рассеивается в окружающее пространство и по световоду не передается. При частотах выше критических энергия поля концентрируется внутри сердцевины и эф­фективно передается по световоду. Таким образом, в световоде могут лишь распространяться сигналы с длиной волны<d, а световоды ведут себя как высокочастотные фильтры.

В волоконно-оптической ЛП (рис. 73) оптическая энергия от светодиода 1 за счет полного внутреннего отражения передается по сердцевине 2 и воспринимается фотодиодом 4, ослабляясь на величину , где,- мощности оптического сигнала на входе и выходе световода;l – длина световода.

Рис. 73. Схема волоконно-оптической линии передачи: 1 – светодиод; 2 – сердцевина; 3 – оболочка; 4 - фотодиод

Ослабление увеличивается при наличии неоднородностей и искривлений световода и достигает максиму­ма, если радиус изгиба стано­вится равным 1/2 длины волны передаваемого сигнала. Однако для большинства материалов световодов ограничением на минимальный радиус изгиба (обычно около 50 мм) являет­ся не чрезмерное ослабление сигнала, а растрескивание материала светово­да. Ослабление для кварцевых световодов составляет не более 2 дБ/км при диаметре световода 200 мкм и радиусах изгиба 50 мм.

В качестве материала световодов используют полимеры, стекло, кварц. Световоды поставляются отрезками длиной до 100 м. Отрезки можно сращивать после шлифования торцов склеиванием, нагревом концевых час­тей и сращиванием под давлением, соединительными металлическими или пластмассовыми втулками, надеваемыми на концевые части сращиваемых отрезков.

Оптический кабель состоит из скрученных определенным образом световодов, заключенных в общую защитную оболочку (рис. 74, а). По конструктивному исполнению многожильные волоконно-оптические ка­бели разнообразны и отличаются числом и формой укладки световодов, способом объединения в единую конструкцию, защитой от внешних воз­действий. Каждый световод покрывается одно- или двух­слойной защитной оболочкой 3. Внешняя защитная оболоч­ка 4 (рис. 74) объединяет световоды в единую жесткую конструкцию, обеспечивая защиту от внешних воздейст­вий. Цент-ральная металличе­ская жила — провод 2 придает оптическому кабелю допол­нительную жесткость.

Рис. 74. Конструкция цилиндрического (а) и плоского (б) оптического кабеля: 1 – световод; 2 – провод; 3 – защитная оболочка световода; 4 – защитная оболочка кабеля