Тема 8 . Волоконно-оптичні лінії зв'язку.

1.ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ У СВІТЛОВОДАХ.

2.ПАРАМЕТРИ ОВ.

3.ЕЛЕМЕНТИ ВОЛОКОННООПТИЧНИХ ЛІНІЙ ЗВ'ЯЗКУ.

4.ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ВОЛЗ

8.1 ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ У СВІТЛОВОДАХ.

Принцип дії волокносвітловодів. Винайдення в 1959-1961 рр. когерен­тних лазерних джерел світла дало початок розробкам оптичних ліній зв'язку, де переносниками повідомлень є світлові хвилі. Некогерентні джерела світла, що існували до того часу, були непридатні для зв'язку через їх широкосмуговість. Тому виникали непереборювані технічні труднощі в переда­ванні світлового променя та його модуляції первинними сигналами. Але характеристики атмосфери, що спочатку використовувалась як середовище поширення, виявились непридатними для високонадійних систем зв'язку через значне ослаблення світлових променів у дощ, туман, снігопад тощо. Тому було запропоновано для світлових хвиль 15-го діапазону з частотами 10¹⁴-10¹⁵ Гц (діапазон довжин хвиль 0,5-10,8 км) створювати спеціальні напрямні системи - світловоди. Найперспективнішими з них є діелектричні хвилеводи, або волокна, як їх називають через малі розміри поперечних перерізів.

Найпростіший світловод являє собою тонке волокно циліндричної форми, яке складається з осердя, що має показник заломлення n₁=, оболонки, що має показник заломлення n₂=- , та зовнішнього покриття. Тут є₁ і є₂ - відносні діелектричні проникності матеріалів осердя та оболонки. Осердям передається електромагнітна енергія у вигляді світлової хвилі, тому його виготовляють із матеріалу, якому властиві найменші діелектричні втрати (кварц, багатокомпонентне скло). Оболонка призначена для покращення умов відбиття на межі осердя - оболонка та зменшення випромінювання енергії в навколишній простір. В оболонці можна допустити значніші втрати, тому її виготовляють зі звичайного скла або із пластмаси. Для захисту від зовнішніх негативних впливів (світлових, механічних) на оболонку світловоду наноситься полімерне покриття. Поперечний переріз волокна і розподіл показника заломлення наведені на мал.1.

Рис.8.1 Поперечні перерізи і розподіл показни­ків заломлення східчастого (а) та градієнтного (б) волокно світловодів.

Залежно від характеру зміни показника заломлення п розрізняють два типи світловодів: східчасті та градієнтні. Східчасті світловоди (мал. 8.1, а) мають постійне вздовж радіуса значення показника заломлення, східці спостерігаються тільки на межах осердя - оболонка. У градієнтному світловоді (мал. 8.1, б) показник заломлення плавно змінюється від центру до краю осердя. Поширення променів у цих двох типів світловодів різне. Розглянемо цей процес докладніше.

Нехай у центр торця східчастого світловоду (мал. 8.2) падає промінь Ф₁ під деяким кутом до його осі. За законами геометричної оптики на межі осердя - оболонка (точка А) можуть бути падаючий промінь під кутом φ_п, відбитий під кутом φ_в, та заломлений під кутом φ_з. Заломлений промінь знову набуває такого самого відбиття в точці В на межі оболонка - покриття. Отже, у світловоді існують три види променів (хвиль): осердя 1, оболонки 2, випромінювання 3.

Для ефективного поширення та запобігання переходу енергії в оболонку та навколишній простір необхідно усунути хвилі 2 і 3. А це досягається за умови повного внутрішнього відбиття на межі розділу двох середовищ: 1) перехід променів здійснюється із середовища з більшою оптичною густиною у середо­вище з меншою густиною, тобто n₁>n₂; 2) кут падіння φ_п більший за деякий кут повного внутрішнього відбиття θв.в., який визначається за співвідношенням

sinθв.в. = (8.1)

Рис. 8.2. Проходження променів у східчастому світловоді:

1- хвиля осердя; 2 - хвиля оболонки. 3 - хвиля випромінювання

При φ_п> θв.в.(промінь Ф₂ на мал. 8.2) енергія, що надійшла в осердя, повністю відбивається і зигзагоподібно поширюється у світловоді.

Режим повного внутрішнього відбиття витримується, якщо на вхідний торець світловоду подається світловий промінь у межах тілесного кута а. Цей тілесний кут між оптичною віссю світловоду й однією з складових частин світлового конуса, у межах якого має місце повне внутрішнє відбиття, називають апертурою. Для характеристики світловоду звичайно користуються числовою апертурою

А=sinθa=(8.2)

Від значення числової апертури залежать ефективність введення випромінювання у світловід, втрати на мікрозгинах та інші параметри світловоду.

У градієнтному світловоді промені не відбиваються, як у світловоді зі східчастим профілем, а вигинаються в напрямку градієнта показника заломлення. Внаслідок цього промені, що знаходяться всередині апертурного кута, поширюються уздовж осердя хвилеподібними траекторіями (промінь 1 на мал. 8.3). Якщо промінь входить з торця світловоду в осердя під кутом, більшим за апертурний (промінь Ф₁ на мал. 8.3), будуть існувати також промені оболонки 2 та випромінювання 3. Характерною особливістю градієнтних світловодів є менші спотворення переданих ними сигналів.

Типи хвиль (моди) у світловоді. Під час дослідження процесу поширення світлових променів у світловоді було встановлено, що з усієї сукупності світлових променів у межах апертурного кута для кожного світловоду тільки обмежена кількість променів із дискретними кутами може утворювати направлені хвилі певного типу, які називають також хвилеводними модами. Ця назва дана тому, що світловод є за своєю суттю діелектричним хвилеводом. Фізично явище виникнення мод у світловодах можна пояснити інтерференцією хвиль із різними шляхами поширення, існуючі у світловоді моди характеризуються тим, що після дворазового відбиття на межі осердя - оболонка промені приходять на вихід у фазі і додаються арифметично. Для інших кутів фазові умови не виконуються, тому хвилі інтерферують так, що гасять одна одну.

Рис. 8.3. Проходження променів у градієнтному світловоді:

1 - хвиля осердя; 2 - хвиля оболонки. З - хвиля випромінювання

У світловоді круглого перерізу, як і в круглому діелектричному хвилеводі, можуть існувати змішані хвилі типу НЕ чи ЕН. Основна з них НЕ₁₁. Кожна мода має характерну тільки для неї структуру електромагнітного поля, фазову та групову швидкості.

Залежно від числа хвиль (мод), що поширюються у світловоді на робочій частоті, світловоди поділяють на одномодові та багатомодові. Число мод залежить від співвідношення між діаметром осердя d і довжиною робочої хвилі λр. Якщо діаметр d ≈ λ, у поперечному перерізі осердя укладається тільки одна хвиля, тобто спостерігається одномодовий режим; якщо d > λ - багатомодовий.

Одномодові світловоди мають електричні характеристики кращі за багатомодові. Проте через малий діаметр осердя волокна вони менш надійні та втрачають більше енергії під час вуведення променя у світловід. Число мод у градієнтному світловоді приблизно у два рази менше, ніж у двосхідчастому таких самих геометричних розмірів із такими самими значеннями n₁ і n₂. Кращими є також електричні характеристики градієнтних світловодів.

8.2. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ СВІТЛОВОДІВ.

На відміну від двопроводових напрямних систем у світловодах, так само як і у хвилеводах, неможливо однозначно визначити більшість електричних параметрів і поділити їх на первинні та вторинні. Це пов'язано з тим, що параметри світловодів залежать від робочої частоти (довжини хвилі), методу збудження, моди. Але все ж таки початковими (первинними) можна вважати геометричні розміри осердя та оболонки, їх показники заломлення п\ та п; , відносну різницю показників заломлення ∆=, тип хвилі (моду), що поширюється світловодом.

Для багатомодових світловодів діаметр осердя має розмір біля 50 мкм, а діаметр оболонки - 125 мкм. Діаметр осердя одномодового світловоду вибирається такий, щоб ним забезпечувались умови поширення тільки основної моди, а це виконується, коли нормована робоча частота, що визна­чається за формулою V=, (деd - діаметр осердя; А - числова апертура; λр - робоча довжина хвилі), більша за V > 2,405 для двошарового східчастого світловоду і менша за V < 3,53 для градієнтного світловоду з параболічною зміною показника заломлення. Відносна різниця показників заломлення ∆ має значення 0,01-0,003.

До електричних параметрів світловодів, що характеризують передавання ними сигналів, можна віднести критичні частоту та довжину хвилі, ослаблення, дисперсію сигналу.

Критичні частота та довжина хвилі світловоду. Як і в будь-якому хвилеводі, у світловоді існують критичні довжина хвилі та частота. Їх можна знайти, якщо використати вираз для кута повного внутрішнього відбиття та співвідношення між довжиною хвилі λ і діаметром світловоду d : cosθ_в.в. = . Якщо врахувати, що cosθ = , із виразу дістанемо

cosθ_в.в. Прирівняємо праві частини виразів для cosθ_в.в і дістаємо значення критичної довжини основної хвилі світловоду

λ_кр = d (8..3)

Критична частота

f_кр = = , (8.4)

де v_гр - групова швидкість поширення хвилі в осерді, v_гр = , с_о -швидкість світла.

Якщо ввести у формули (8.3) та (8.4) параметр Рmn/π, що характеризує тип хвилі (моду) світловоду, можна отримати

f_кр=(8.5)

(8.6)

Значення параметра Рmn для деяких типів хвиль (мод) подано в табл.8.1. Індекс п характеризує число змін поля за діаметром світловоду, а m - за периметром.

Таблиця 8.1. Значення параметра Pmn для круглого світловоду

m	N			Тип хвилі
	1	2	3
0 1 1 2 2	2,405 0 3,832 2,405 5,136	5,520 3,832 7,016 5,538 8,417	8,654 7,016 10,173 8,665 11,690	ЕН НЕ ЕН НЕ ЕН

Приклад 1. Обчислити критичні частоту f_кр та довжину хвилі λ_кр оптичного кабелю зі скловолокна з параметрами: n₁= 1,48, n₁ – n₂= 0,005. d= 30 мкм, мода ЕН₀₁.

Підставимо у формулу (11.5) значення Р₀₁ = 2.405 з табл.1, а також d=30 мкм, n₁ = 1,48, n₂ = n₁ - 0,005 = 1,475, с₀ = 3 x 10⁸ м/с, тоді f_кр= 2,405 x 3 x 10⁸ / (3,14 x 30 x 10⁸ х ) = 6,3 x 10¹³ Гц.

Аналогічно за формулою (8.6) f_кр=3,14 x 30 x 10⁸ х / (2,405 x 1,48) = 3,22 x 10^-6м = 3,22 мкм.

Наявність у світловоді критичної частоти f_кр вказує на те, що він, як і будь-який хвилевод, має властивість фільтра верхніх частот. Світловодом можливе передавання хвиль довжиною, меншою за λ_кр.

Ослаблення світловодів. Ослаблення хвилі, що поширюється світловодом, визначається втратами її енергії. Є дві головні причини цих втрат у світловоді: поглинання та розсіювання енергії.

Поглинання складається з власного поглинання матеріалом осердя та по­глинання, що відбувається через наявність в осерді домішок у вигляді іонів окислів металів та гідроксильних груп.

Ослаблення за рахунок власного поглинання в осерді α_в.п. дБ/км, що спричинене діелектричними втратами в матеріалі світловоду, може бути обчислене за формулою:

α_в.п.=8,69 х 10⁹n₁tg , (8.7)

де λ_р - робоча довжина хвилі, мкм; tgδ₁, - тангенс кута діелектричних втрат у світловоді. Для матеріалів, що застосовуються нині у світловодах, tgδ₁≈(0,5-1,09)10^-10.

Втрати енергії за рахунок сторонніх домішок α_д істотно залежать від чистоти матеріалу і можуть у кілька разів перевищувати власні втрати, що обчислюються за формулою (8.7). При цьому в областях резонансів власних коливань іонів домішок спостерігаються сплески ослаблень світловодів. Наприклад, через наявність іонів гідроксильних груп ці сплески мають місце на хвилі 0,95 мкм. Нині досягнуті значні успіхи в технології виготовлення волокносвітловодів із малими втратами поглинання. Так, розроблено волокносвітловоди з кварцового скла, легованого германієм, фосфором чи бором із граничне малими втратами (меншими за 1 дБ/км).

Розсіювання світлової енергії обумовлено неоднорідностями матеріалу світловоду, розміри яких менші за довжину хвилі, та тепловою флуктуацією показника заломлення (так зване релеєвське розсіювання). Втрати на розсіювання α_p, дБ/км, залежать від матеріалу світловоду та робочої довжини хвилі. Крім перелічених втрат необхідно враховувати також кабельні втрати α_к, що виникають через різні порушення геометрії світловоду, наявності з'єднань, згинів та мікрозгинів. У результаті загальний коефіцієнт ослаблення світловоду α=α_в.п.+ α_д+ α_р+ α_к. Для більшості світловодів можна прийняти

α≈2,5α_в.п. ,

де α_в.п. обчислюється за формулою (8.7).

Приклад 2. Обчислити коефіцієнт ослаблення у світловоді оптичного кабелю з такими параметрами світловолокна: n₁ = 1,53; α_р = 1,3 мкм; tgδ₁= 0,5 x 10^-11.

Підставимо до формули (8.7) задані значення параметрів світловолокна і отримаємо значення власних втрат поглинання: α_в.п.= 8,69 x 10⁹ x 1.53 x 0,5 x 10^-10/1,3 = 0,51 дБ/км. Загальний коефіцієнт ослаблення згідно з виразом (8.8) α = 2,5 x 0,51= 1,275 дБ/км.

Для якісної оцінки втрат на мал. 8.4 подано експериментальну частотну залежність коефіцієнта ослаблення одномодового світловоду (d = 9,6 мкм, ∆ = 0,0028), виготовленого з германосилікатного скла. Залежність добре узгоджується з теоретичними розрахунками. На графіку чітко видно сплески ослаблення та три вікна прозоростей із малим ослабленням, при цьому зі збільшенням довжини хвилі коефіцієнт ослаб­лення знижується. Звідси випливає доціль­ність використання діапазонів хвиль 1,3 та 1,55 мкм у волоконнооптичних лініях зв'язку.

Рис.8.4. Характеристика ослаблення одномодового світловоду.

Дисперсія сигналу у світловоді. Оскільки світловод є лінійною системою за відношенням до інтенсивності вхідних та вихідних сигналів, то його, як і двопровідну лінію, можливо подати у вигляді еквівалентного чотириполюсника і властивості описувати комплексною передавальною функцією H(jω) та імпульсною характеристикою g(t). У більшості випадків для оцінки проходження сигналу світловодом як чотириполюсником достатньо знати його смугу пропускання П, що визначається звичайно на рівні половини від максимального значення mах H(ω), та середньоквадратичну тривалість імпульсної характеристики σ_св, яка обчислюється за методом еквівалентного прямокутника .

У світловоді, на відміну від двопроводових ліній, спостерігається важлива закономірність: названі вище характеристики H(jω), g(t) та параметри П, σ_св залежать не тільки від електричних параметрів світловоду, але й від його довжини, причому зі зростанням довжини зменшується смуга пропускання П і збільшується середньоквадратична тривалість імпульсної характеристики σ_св, а це призводить до зростання лінійних спотворень переданих ним сигналів. Так, під час передавання імпульсних сигналів, як це показано на мал. 8.5, збільшується тривалість (виникає розширення) прийнятих сигналів. Для деякої довжини світловоду два роздільно переданих імпульси можуть прийматись як один. Це явище розширення імпульсу називають дисперсією сигналу у світловоді. Саме дисперсія обмежує смугу частот світловоду і, відповідно, мінімальну тривалість імпульсних сигналів, що передаються світловодом.

Числове значення дисперсії сигналу дорівнює середньоквадратичній тривалості імпульсної характеристики σ_св,. Її також можна визначити як різницю тривалостей сигналів на вході та виході світловоду:

σ_св=, (8.8)

при цьому тривалості імпульсних сигналів обчислюються на рівні половини квадрата їх амплітуди.

Передавання Приймання t=1 км Приймання t=5 км

Рис. 8.5 Проходження імпульсних сигналів у волокносвітловоді.

У світловоді існують три види дисперсії сигналу: хвильова (модова), матеріальна та міжмодова. Вони по різному виявляють себе в різних типах світловодів. Середні дисперсійні властивості світловодів, що нині випускаються промисловістю, а також фізичні причини кожної з дисперсій подано в табл. 2. З наведених даних випливають такі закономірності:

• в одномодових світловодах відсутня міжмодова дисперсія і можлива взаємна компенсація хвильової та матеріальної дисперсій, оскільки фазові спотворення, що призводять до цих дисперсій, приблизно рівні за значенням, але протилежні за знаком;

• у багатомодових світловодах зі східчастим профілем домінує міжмодова дисперсія, яка більш ніж на порядок перевищує інші види дисперсій і досягає 20-50 нс/км;

• у градієнтних світловодах має місце вирівнювання часу, поширення різних мод і основною є матеріальна дисперсія.

Сумарна дисперсія у світловоді

σ_св= (8.8)

Таблиця 8.2. Дисперсійні властивості світловодів

Вид дисперсії	Фізична причина	Значення дисперсії, нс/км
		Східчастий профіль		Градієнтний профіль
		Багатомодове волокно	Одномодове волокно
Модова (хвильова) σмод	Фазова швидкість моди залежить від частоти (довжини хвилі)	Мале значення	Можлива взаємна компенсація з матеріальною	Мале значення
Матеріальна σмат	Показник заломлення світоводу залежить від частоти	2-5	1-3	0,1-2
Міжмодова σмм	Різні моди мають різні групові швидкості поширення	20-50	-	0,1-0,3 (лазер); 2-4 (світловод)

За відомими параметрами світловоду та властивостями матеріалу осердя можна обчислити кожну з наведених у табл. 8.2 дисперсій. Але однорідні властивості та профіль світловоду на всій його довжині технологічно витримати важко, тому розрахункові значення значно відрізняються від експериментальних. Для визначення дисперсії необхідно користуватись табл. 2 чи паспортними даними конкретного світловоду.

Для розрахунків дисперсії сигналу с_в. у світловоді будь-якої довжини l слід використовувати вираз:

с_в. =σ₀ , (8.9)

де σ₀ - дисперсія сигналу у світловоді завдовжки що; μ - показник залежності дисперсії від довжини. Теоретичне значення μ = 0,5, а на практиці 0,5 ≤ μ ≤ 1. При розрахунках для багатоходового світловоду рекомендовано брати μ = 0,5, для градієнтного та одноголового світловодів μ = 0,5...1.

Смуга пропускання світловоду та його дисперсія пов'язані тим самим виразом, що і тривалість імпульсу та ширина його спектра:

для радіо (світлової) частоти:

А_р ≈ , (8.10)

для відео частоти (для первинних моделюючих сигналів):

А_р ≈ (8.11)

Приклад 3. Обчислити довжину регенераційної ділянки волоконнооптнчної лінії зв'язку, якою має передаватись імпульсний сигнал зі смугою відеочастот Fв=10 МГц, якщо використовуються: а) багатомодовий світловоід; б) градієнтний світловод. Допустиме ослаблення сигналу в лінії σ_доп=52 дБ, коефіцієнт ослаблення світловодів σ=3,5 дБ/км, джерело випромінювання - світлодіод.

1. Якщо виходити із заданого ослаблення в лінії, то довжина регенераційної ділянки l_ос = =52/3,5= 14,85 км.

2. З табл. 2 знаходимо усереднене значення дисперсії сигналу: багатомодовий світловод - 35 нс/км, градієнтний - 3 нс/км.

З. Вважатимемо, що для неспотвореного передавання імпульсів необхідно забезпечити смугу пропускання світловоду П_в ≥ Fв. і за формулою (8.11) дістанемо значення допустимої дисперсії сигналу у світловоді σсв ≤ І/Fв. = 1/10⁷ = 100 не Такс значення дисперсії згідно з формулою. (8.9) досягається у разі довжини евітловоду l_σ = l₀ (σсв /σо). Для багатомодового світловоду прн μ = 0,5 таl₀ = 1 км його довжина l_σ= 1(100/35)² = 8,16 км, для градієнтного світловоду при μ= 1 та l₀ = 1 км його довжина l_σ = 1(100/3)' = 33,3 км.

Отже, довжина регенераційної ділянки: а) для багатомодового світловоду обмежується ди­сперсією сигналу і дорівнює 8,28 км; б) для градієнтного світловоду визначається ослабленням і дорівнює 14,85 км.

Таким чином, дальність передавання волокносвітловодами лімітується не тільки ослабленням сигналу, але і його дисперсією. Як правило, у багато­модових світловодах обмежуючим фактором є дисперсія сигналу, в градієнт­них та одномодових - ослаблення.

8.3. ЕЛЕМЕНТИ ВОЛОКОННООПТИЧНИХ ЛІНІЙ ЗВ'ЯЗКУ

Волокнооптичною лінією зв'язку (ВОЛЗ) називають сукупність оптичних елементів, що забезпечують передавання електричних сигналів (інформації) волокносвітловодами. Нині ВОЛЗ передаються в основному широкосмугові сигнали багатоканального зв'язку. Структура ВОЛЗ (мал. 8.6) крім оптично­го кабелю містить джерело світла, оптичні модулятор та детектор, приймач світлового променя, ретранслятори оптичних сигналів. Дамо коротку харак­теристику елементів ВОЛЗ.

Світловодні (оптичні) кабелі. Під час виготовлення оптичного кабелю окремі світловоди комплектуються в пучки різної конструкції (вільна чи зв'язана укладки; повивальна скрутка, із фігурним осердям, стрічкового типу тощо). Підвищення фізико-механічних властивостей кабелю та захисту його від зовнішніх дій досягається застосуванням міцного покриття окремих волокон, їхніх джгутів та всього кабелю, зміцненням силовими елементами.

За призначенням оптичні кабелі можна поділити на міжміські, міські, об'єктні, підводні та монтажні. Вони різко відрізняються за конструкцією та параметрами, але загальними якостями для них є малогабаритність, гнучкість, відсутність кольорових металів, висока захищеність від зовнішніх електромагнітних полів. Оптичний кабель може містити до 200 волокон.

Джерела світлового випромінювання. Як джерела світла для ВОЛЗ нині застосовують лазери та напівпровідникові світловипромінюючі діоди (СВД).

Лазер являє собою оптичний квантовий генератор, що генерує когерент­ні коливання з частотою 10^14-10¹⁵ Гц. Принцип його дії заснований на явищі переходу електронів атома з верхнього енергетичного рівня на нижній. Під час такого переходу енергія випромінюється у вигляді фотонів.

Світловипромінюючий діод являє собою некогерентне джерело світла у вузькій смузі частот. Фізичною основою роботи СВД є інжекторна електро­люмінесценція в напівпровіднику з p-n-переходом. Якщо до СВД прикладе­на напруга в прямому напрямку, то електрони переміщуються з n-області в р-область. У разі взаємодії електрона з "діркою" відбувається випромінювання кванта світла (фотона).

Найперспективнішим джерелом світла для ВОЛЗ є напівпровідниковий лазер, запропонований у 1961 р. М. Г. Басовим, Ю. М. Поповим та О. М. Крохіним. В оптичному резонаторі напівпровідникового лазера створюється когерентне у просторі та часі випромінювання, що дає можливість більш ефективно вводити енергію у світловод.

Рис. 8.6. Структурна схема волоконюоптнчної лінії зв'язку

Сучасними СВД можна одержати ширину смуги модуляції до 500 МГц, лазерами - до 1 ГГц, у перспективі очікується досягнення смуги частот, що передаються СВД, до 1 ГГц, лазерами - до 5 ГГц.

Модуляція світла. Під час модуляції оптичного переносника змінюється якийсь із його параметрів: амплітуда, частота чи фаза. Застосовується також модуляція за інтенсивністю (IМ), при якій пропорційно модулюючому сигналу змінюється квадрат амплітуди, тобто інтенсивність. Розроблені різні оптичні модулятори, що дають змогу формувати перелічені вище види модуляції.

У СВД та напівпровідникових лазерах для IМ не потрібно застосовувати спеціальні зовнішні модулятори. Напруга зміщення керує інжекцією електронів через p-n-перехід, і при цьому в широких межах змінюється інтенсивність вихідного випромінювання (мал. 8.7).

Проте отримати лінійні модуляційні характеристики в оптичних модуля­торах досить важко. Та й при аналогових модуляціях необхідна також висока лінійність ретрансляторів, тому у ВОЛЗ застосовуються в основному дискретні методи модуляції: амплітудна (АМ-2) та поляризаційна (ПМ-2) маніпуляції. Нагадаємо, що в ПМ-2 змінюється поляризація світлової хвилі.

Враховуючи переваги дискретних видів модуляції, у ВОЛЗ аналогові первинні сигнали передаються або цифровими методами (ІКМ, Д1КМ, ДМ), або імпульсними видами модуляції (ФІМ чи її окремим різновидом ПІМ-позиційно-імпульсною модуляцією, за якої модульований імпульс приймає не неперервні, а дискретні значення фази).

Приймач випромінювання. Як приймач світлового променя і водночас його детектор у ВОЛЗ звичайно застосовують фотодіод, електричні власти­вості якого змінюються під дією фотонів світла, що попадають на нього. Застосовуються в основному фотодіоди типу р-і-п та лавинні.

У фотодіоді типу р-і-п фотони із світловоду надходять до тонкого шару р і проникають крізь нього в область i, де утворюють пари електрон -"дірка". Зовнішня висока напруга, що прикладена до р- та п-областей, зміщує утворені заряди до меж області, чим забезпечує проходження стру­му в зовнішньому колі. Цей струм пропор­ційний інтенсивності променя світла, що попадає на фотодіод, і, відповідно, величині модулюючого сигналу. Максимальне зна­чення струму для сучасних діодів не пере­вищує кількох наноампер, і тому при його підсилені з'являється шум.

Кращі характеристики має лавинний фотодіод. Принцип його дії базується на тому, що утворені фотонами світла електрони та "дірки", коли вони проходять ділянку сильного, спеціально для цього утвореного електромагнітного поля, за рахунок ударної іонізації утворюють пари носіїв зарядів. Отже, тут має місце лавинне розмноження носіїв зарядів. Цим підвищується чутливість фотодіода. Нині вже досягнуті чутливість лавинних фотодіодів 0,7 А/Вт та швидкодія 10^-9- 10^-11с.

Рис. 8.7. Типові модуляційні ват-амперні характеристики джерел випромінювання:

a - напівпровідниковий лазер; г - світловід

Побудова світловодної системи передачі. Структурна схема світловодної системи передачі загалом не відрізняється від схем передачі сигналів кабельними, радіорелейними, супутниковими лініями зв'язку. Канал зв'язку створюється стандартною апаратурою формування та приймання електричних сигналів. Різниця тільки в тому, що як лінія зв'язку застосовується ВОЛЗ, до складу якої входять на передавальній стороні пере­творювач електричного сигналу в оптичний ЕОП та зворотний перетворювач оптичного сигналу в електричний ОЕП на приймальній стороні (див. мал. 8.6). Оскільки ослаблення оптичного кабелю менше за ослаблення коаксіального, то оптичні системи передачі мають меншу кількість ретрансляторів.

8.4. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ ВОЛЗ

Порівняно з кабельними лініями ВОЛЗ мають ряд істотних переваг, що дає можливість застосовувати їх не тільки в системах зв'язку, але й в ЕОМ, літальних апаратах, мобільних системах тощо. Основні переваги та особливості ВОЛЗ такі:

• нечутливість до зовнішніх електромагнітних полів, звідси абсолютна захищеність від електричних завад ліній електропередач, блукаючих струмів тощо;

• відсутність кольорових металів (міді, свинцю);

• малі маса та габарити всіх елементів (світловодного кабелю, передавача та приймача, регенераторів), уже досягнуто зменшення маси порівняно з електричним кабелем більш ніж у десять разів;

• значно більша широкосмуговість і відповідно пропускна здатність;

• повна електрична ізоляція між входом та виходом, відсутність коротких замикань, що дає змогу застосовувати оптичний кабель у місцях зосередження вогненебезпечних матеріалів;

• менше ослаблення сигналу.

Економічне порівняння ВОЛЗ та існуючих кабельних ліній нині є досить умовним. Справа в тому, що вартість електричних кабелів постійно підвищу­ється внаслідок дефіциту міді та свинцю, а також збільшення енергетичних витрат на здобування кольорових металів. Вартість же виготовлення волокносвітловодів постійно зменшується. Вважається, що вони мають потенційно малу вартість.

Нині оптичні кабелі вже широко застосовуються для міського, приміського та зонового зв'язків, почалось упровадження їх і в магістральні мережі. Темпи розвитку ВОЛЗ продовжують зростати. Це пов'язано не тільки з вдосконаленням технології виготовлення кабелю, але й з успіхами в інтегральній оптиці. Очікується, що до 2000 р. майже всі нові лінії зв'язку будуть волоконнооптичними. Можна стверджувати, що широке застосовування ВОЛЗ

теж може дати значний техніко-економічний ефект, який свого часу дав перехід від електронних ламп до транзисторів та мікросхем.