4.8. Световоды, назначение и конструктивные особенности, параметры

Световод является линией передачи, предназначенного для направленного распространения волн светового частотного спектра. Этот спектр обладает большой пропускной способностью. Потребности народного хозяйства способствовали увеличению скорости передачи информации и освоению новых диапазонов радиочастотного спектра [6]. Для удовлетворения возросших потребностей разработаны широкополосные системы телекоммуникаций, позволяющих одновременно передавать несколько программ телевидения, а также огромные потоки телефонных сообщений, осуществляющих скоростную передачу данных. При этом использовались коаксиальные линии передачи, для которых характерна достаточно ограниченная полоса передаваемых частот (до 1,5 – 2 ГГц) с большим затуханием. Это приводит к вынужденному созданию вдоль линии дополнительные усилительные пункты, потребность размещения которых необходима через каждые 5 километров. Создание линий передачи на основе световодов решило проблему работы широкополосных систем.

В настоящее время применяются пленочные и волоконные световоды. Пленочные световоды (рис.4.38) с параметрами ε_пл, μ₀ выращивают на диэлектрической подложке. Пленку можно рассматривать как плоский (прямоугольный) диэлектрический волновод. Учитывая значительное затухание, пленочные световоды используют на небольшие расстояния или в качестве линии переда –

чи межблочных соединений.

^Пленка

^{Подложка}

Рис. 4.38

Волоконный световод состоит из диэлектрических сердечника и оболочки, диаметры которых равны а и б соответственно (рис.4.39), коэффициенты

а б

Рис.4.39

преломления следующие:

- для сердечника n _с = √ε _с ;

- для оболочки n _об = √ ε _об .

Причем важным для исключения рассеивания энергии волн в оболочке является выполнение следующего неравенства: n _с > n _об.

Полное внутреннее отражение парциальных волн, распространяющихся в сердечнике, происходит на границе раздела между сердечником и оболочкой. Возникшая при этом поверхностная волна распространяется в оболочке. Поэтому энергия, переносимая волнами по волоконному световоду, сосредоточена в сердечнике и оболочке. Поверх оболочки можно наносить поглощающее покрытие, не влияющее на распространение волн по световоду.

В качестве диэлектрика используются следующие материалы: стекло и различные соединения на основе кварцевого стекла. Затухание энергии волн в световоде показано на графике рисунке 4.40. Как видно из графика, существует

три окна прозрачности, где характерно минимальное затухание энергии волн. Это окна для распространяющихся по световоду следующих длин волн:

- первое окно с резонансной λ = 0.85 мкм;

- второе - λ = 1.3 мкм;

- третье - λ = 1.5 мкм.

В настоящее время на практике эти частотные диапазоны используются для передачи оптических волн по световодам. По волоконному световоду, как по диэлектрическому волноводу, распространяются ТЕ, ТН и смешанные волны. Поэтому критическая длина волны зависит от геометрических размеров световода, а также от разницы коэффициентов преломления.

А, дб/км.

1.2

0.8

0.4

0.5 1.0 1.5 λ, мкм.

85. 1.3

Рис.4.40

Выбирая достаточно близкие по величине n _с и n_об, можно обеспечить одноволновый или одномодовый режим. Малые поперечные размеры сердечника одномодовых световодов составляют сложность при их изготовлении и соединении строительных длин. Кроме того, малый диаметр сердечника осложняет ввод мощности от генератора.

При увеличении размеров сердечника образуется многомодовый световод, позволяющий распространяться до 1000 волн, а также упростить работу с дешевыми источниками излучения. Каждая волна представляет парциальную волну, движущуюся под определенным углом к нормали границы раздела сердечник – оболочка. Однако существующая дисперсия искажает волны. Для сохранения достаточно большого диаметра сердечника и одновременного уменьшения величины модовой дисперсии применяют так называемый градиентный световод. Сердечник в нем имеет коэффициент преломления как функция от поперечной координаты.

В настоящее время выпускаемые световоды волоконного типа имеют чрезвычайно низкое затухание и вдвое дешевле радиочастотного кабеля. Так, кабель, выполненный из тетрафторида цикония, имеет затухание 0,01 дб/км, а из фторида берриллия – 0,005 дб/км. С 1994 года действует волоконно-оптический кабель на трассе Москва - Санк-Петербург, Санк-Петербург-Копенгаген и т.д.

В кабелях применяют два типа оптического волокна: одномодовое и многомодовое. Для одномодовых кабелях применяют:

• одномодовое волокно для работы в диапазоне 1,3 мкм с затуханием 0,4 дб/км (кабель не реагирует на микротрещины и макротрещины, вызванные изгибом кабеля);

• одномодовое волокно для работы в диапазоне 1,55 мкм с затуханием 0,2 дб/км и с нулевой дисперсией (искажения оптических импульсов);

• одномодовое волокно с одновременной работой в диапазонах 1,3 мкм и 1,55 мкм.

Многомодовые кабели работают в диапазоне 0,85 мкм и 1,3 мкм:

• со ступенчатыми профилями показателя преломления;

• с градиентными профилями

Для работы с одномодовыми световодами используются типовые одномодовые лазары с расчетной мощностью от 1 до 10 МВт: РОМ-14, 19, 19-1; ДЛ-216-2А, 216-3А, 216-В, 234-В, 354-2А, 2В, 2С; РО-МО354-1.

Для работы с многомодовыми световодами используются следующие типовые многомодовые лазары: ИЛПН-206, ЛМЗ-1300БТ.

В качестве приемников используется Р – i – n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД Г- 70Т, 70, 1506, 200).

Промышленность Европы выпускает волоконный кабель типа SТV–4 (SТМ-16), рассчитанный на скорость передачи 622 Мбит/с (2,4 Гбит/с), позволяющий увеличить длину усилительного участка до 200 км. Разработан кабель SТМ-64 для скорости до 10 Гбит/с. Находится в стадии проектирования волоконный кабель для скорости передачи информации до 40 Гбит/с и в перспективе до 100 Гбит/с.