9. Волоконно-оптические линии связи
Во второй половине 19-го века Джон Тиндалл продемонстрировал возможность направленного распространения света по водяной среде, а в двадцатые годы нашего века были созданы первые твердотельные световоды. В настоящее время для передачи информации в оптическом диапазоне используются достижения квантовой механики, оптики и электроники.
Оптоволоконные технологии обладают следующими преимуществами:
– высокой пропускной способностью (до нескольких терабит в секунду);
– устойчивостью к электромагнитным воздействиям;
– отсутствием излучения у оптоволоконного кабеля;
– хорошими массо-габаритными характеристиками;
– защищенностью от несанкционированного доступа.
В основе работы волоконно-оптических линий лежит закон Снелиуса – произведение синуса угла падающего и преломленного лучей на соответствующие показатели преломления сред равны (рис.9.1)
.
|
а) |
б) |
|
в) |
Рис.9.1. Закон преломления и отражения (а), распространение светового потока в световоде (б) и конструкция волоконно-оптического кабеля (в) |
Чтобы луч не проникал во вторую среду,
а двигался вдоль границы раздела сред
(в этом случае
),
луч должен падать на поверхность под
так называемым критическим углом
.
Эта формула объясняет эффект полного отражения, состоящий в том, что луч, попавший на границу двух сред первая из которых имеет больший показатель преломления, чем вторая, под углом большим критического, полностью отражается. Если луч проходит в цилиндрическом световоде, то при угле входа больше критического он «навсегда» останется в световоде.
Таким образом, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) должна состоять из передатчика, приемника и среды распространения (рис.9.2).
Рис.9.2. Обобщенная структурная схема ВОЛС
Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки. Они изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто используется оптоволокно типа стекло-стекло. Стекло, используемое для оболочки, имеет меньший показатель преломления, чем стекло для сердцевины. В оптических волокнах показатели преломления различаются на величину порядка 1%. Величина
является одной из главных характеристик оптоволокна и называется числовой апертурой. Чем больше апертура, тем большая часть энергии попадает в световод, но при этом возникают две проблемы:
1) при полном внутреннем отражении часть световой волны проникает сквозь отражающую поверхность;
2) возникают моды сигнала.
Многомодовое распространение возникает вследствие распространения в волокне лучей, вошедших в световод в один момент времени, но под разными углами. Эти лучи (моды) проходят разные расстояния и поступают на вход приемника не одновременно. Это явление получило название «межмодовой дисперсии». Чем больше длина волокна, тем больше разброс по времени прибытия, тем меньше полоса пропускания.
Все оптические волокна разделяются на три вида
1. Многомодовое ступенчатое волокно. Оно имеет небольшую полосу пропускания (20-30МГц/км) и в настоящее время практически не применяется.
Рис. 9.3. Многомодовое оптическое волокно
2. Многомодовое градиентное волокно. В нем за счет сложного легирования показатель преломления плавно изменяется от центра к оболочке волокна. В этом случае моды по прежнему будут проходить различный путь, но потратят на это одинаковое время. Полоса пропускания в этом случае составляет 100-1000 МГц/км. Градиентное оптоволокно даже дороже одномодового, но из-за меньшей стоимости пассивных элементов находит применение в небольших оптоволоконных системах.
Рис. 9.4. Многомодовое градиентное оптическое волокно
3. Одномодовое волокно. Если диаметр волокна сравним с используемой длиной волны, то по оптоволокну будет распространяться только одна мода (здесь действуют законы волновой, а не геометрической оптики). Уменьшение пропускной способности одномодовых волокон связано с так называемой хроматической дисперсией (дисперсия материала). Показатель преломления зависит от длины волны. Так как источники излучения (особенно светодиоды) не являются монохроматичными, то разность скоростей распространения создает дополнительное размывание импульса на приемном конце. Полоса пропускания одномодового волокна составляет порядка 30ТГц.
Рис. 9.5. Одномодовое оптическое волокно
Затухание сигнала в оптоволокне вызвано в основном двумя причинами – поглощением и рассеянием. Экспериментально выявлено три диапазона, в которых поглощение заметно уменьшается 8,5, 1,3 и 1,55 мкм (чем больше длина волны, тем меньше затухание).
В качестве источников света в ВОЛС используются лазеры или светодиоды.