Глава 2. Основы передачи информации по оптическим кабелям

2.1. Физические процессы в волоконных световодах

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводи­мостью и током проводимости I_пр, оптические кабели имеют совершенно другой механизм передачи энергии, а именно токи смещенияI_см, на основе которых действует также радиопередача. Отличие от радиопередачи со­стоит в том, что волна распространяется не в свободном пространстве, а концентрируется в самом объеме световода и передается по нему в задан­ном направлении (рис. 2.1). Передача волны по световоду осуществляется за счет ее отражений от границы сердцевины и оболочки, имеющих разные показатели преломления (n₁ иn₂).

Рис. 2.1. Радиопередача (а) и пере­дача по волоконному световоду (б)

В широко применяемых в настоящее время симметричных и коаксиаль­ных кабелях передача осуществляется по двухпроводной схеме с примене­нием прямого и обратного проводников цепи (рис. 2.2, а). Так же работают воздушные линии и сверхпроводящий кабель. В световодах, волноводах и других направляющих системах (НС) нет двух проводников и передача происходит волноводным методом по закону многократного отражения вол­ны от границы раздела сред (рис. 2.2,б). Такой отражающей границей мо­жет быть металл—диэлектрик, диэлектрик—диэлектрик с различными диэлектрическими (оптическими) свойствами. На волноводном принципе дей­ствует световод, волновод, диэлектрический волновод и другие конструк­ции направляющих систем.

Рис. 2.2. Передача энергии по двух­проводным (а) и волноводным (б) направляющим средам.

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) направляющих систем характеризуется в первую очередь соотно­шением между длиной волны λ, и поперечными размерами направляющей системы d. При λ>dтребуется два провода: прямой и обратный, и пере­дача происходит по обычной двухпроводной схеме. При λ<dне требуется двухпроводной системы, и передача происходит 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.

Особенности различных направляю­щих систем связаны с частотными ограничениями при передаче энергии в различных средах (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Затухание сигнала в двухпроводных (а) и волноводных(б) средах

Принци­пиально различен частотный диапазон передачи по волноводным и двухпро­водным системам. Волноводные системы имеют частоту отсечки — критическую частоту f₀, ведут себя как фильтры ВЧ, и по ним возможна лишь передача волн длиной меньше чем λ₀(только волна НЕ₁₁в световоде не имеет критической частоты). Двухпроводные системы свободны от этих ограничений и способны передавать весь диапа­зон частот от нуля и выше. Правда, потери и затухание в них больше.

В табл. 2.1 приведена частотно-волновая классификация применяемых в настоящее время направляющих систем.

Таблица 2.1

Параметр	вл	ск	кк	спк	в	ок
f, Гц	105	106	108	109	1010... 1011	1014. ..1015
λ	км	100 м	м	м	мм	мкм
Число каналов	Десятки	Сотни	Тысячи	Тысячи	—	Десятки тысяч

Из таблицы видно, что воздушная линия, симметричный, коаксиальный и сверхпроводящий кабели используются на волнах длиной больше попереч­ных размеров направляющей системы (λ>d), и поэтому они действуют на основе токов проводимости по двухпроводной схеме. Волновод и оптический кабель работают на очень коротких волнах (λ<d), и поэтому они действу­ют на основе токов смещения волноводным методом. Как видно из табли­цы, оптические кабели используются в очень широком диапазоне частот, что позволяет организовать с их помощью большое число каналов различного назначения.

Частоты и волны, используемые для передачи различных видов инфор­мации, приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тип волны	f	А	Область применения
ДВ, СВ, КВ	ВЧ (до 300 МГц)	КМ, М	Электросвязь, радиосвязь
УКВ	СВЧ (0,3... 300 ГГц)	дм, см, мм	Радиосвязь, РРЛ, СЛ
ОВ	Оптическая (3 ... 3000 ГГц)	мкм	Оптическая связь

Электросвязь по кабелям и радиосвязь работают в метровом и кило­метровом диапазонах волн. Радиорелейные линии (РРЛ) и спутниковые линии (СЛ) используют преимущественно сантиметровый диапазон волн. Оптическая связь работает в микрометровом диапазоне.

Оптические микронные волны подразделяются на три диапазона: инфра­красный (ИКЛ), видимый (ВЛ) и ультрафиолетовый (УФЛ) (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Вид лучей	ИКЛ	ВЛ	УФЛ
f, Гц λ, мкм	1012… 1014 0,75... 100	1014... 1015 0,4 ... 0,75	1015...1017 0,01 ...0,4

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).