- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ЧАСТЬ I. ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 1. Эмиссионная электроника
- •1.2. Эмиссионная электроника
- •1.2.1. Термоэлектронная эмиссия
- •1.2.2. Термоэлектронная эмиссия с поверхности полупроводников
- •1.2.3. Термокатоды
- •1.2.4. Фотоэлектронная эмиссия
- •1.2.5. Вторичная электронная эмиссия
- •1.2.6. Автоэлектронная эмиссия
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Движение электронов в вакууме в режиме объемного заряда. Электровакуумные приборы
- •2.1. Диоды
- •2.2. Триоды
- •2.3. Многоэлектродные лампы
- •2.4. Особенности многоэлектродных ламп различного назначения
- •2.5. Генераторные и модуляторные лампы
- •2.6. Электровакуумные приборы диапазона сверхвысоких частот
- •2.6.1. Особенности движения электронов в СВЧ полях
- •2.6.2. Клистроны – приборы с динамическим управлением электронным потоком и резонансными системами
- •2.6.3. Лампы бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ)
- •2.6.4. Лампы со скрещенными полями
- •2.6.5. Усилитель на ЛБВ типа М
- •2.6.6. Генератор на ЛОВ типа М замкнутой конструкции (карсинотрон)
- •2.6.7. Магнетроны
- •2.6.8. Статический режим работы магнетрона
- •2.6.9. Динамический режим работы магнетрона
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Электронная оптика. Электронно-лучевые приборы
- •3.1. Электронные линзы
- •3.2. Электростатические линзы
- •3.2.1. Диафрагма с круглым отверстием
- •3.2.2. Иммерсионная линза
- •3.2.3. Одиночная линза
- •3.2.4. Иммерсионный объектив
- •3.3. Магнитные линзы
- •3.4. Аберрации электронных линз
- •3.5. Электронно-оптические системы (ЭОС) электронно-лучевых приборов
- •3.6. Отклоняющие системы
- •3.6.1. Электростатическое отклонение электронных пучков
- •3.6.2. Магнитное отклонение электронных пучков
- •3.7. Некоторые особенности электронной оптики интенсивных пучков
- •3.8. Приемные электронно-лучевые трубки
- •3.9. Проекционные ЭЛТ и системы
- •3.10. Запоминающие электронно-лучевые трубки
- •3.11. Передающие электронно-лучевые трубки
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ II. ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 4. Элементарные процессы в плазме
- •4.1. Введение
- •4.2. Упругие соударения электронов с атомами и молекулами газа
- •4.3. Неупругие соударения электронов с атомами и молекулами
- •4.3.1. Возбуждение
- •4.3.2. Ионизация
- •4.3.3. Ступенчатые процессы при возбуждении и ионизации молекул электронным ударом
- •4.3.4. Образование и разрушение отрицательных ионов
- •4.3.5. Диссоциация молекул
- •4.3.6. Рекомбинация
- •4.4. Движение электронов и ионов в газе
- •4.4.1. Дрейфовое движение электронов и ионов
- •4.4.2. Диффузия заряженных частиц в условиях разряда
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Основные виды электрического разряда в газе
- •5.1. Классификация разрядов
- •5.2. Несамостоятельный газовый разряд
- •5.3. Условие развития самостоятельного разряда. Пробой разрядного промежутка
- •5.3.1. Тлеющий разряд
- •5.3.2. Количественная теория катодной области тлеющего разряда
- •5.3.3. Дуговой разряд
- •5.3.4. Искровой разряд
- •5.3.5. Коронный разряд
- •5.3.6. Высокочастотные разряды
- •5.3.7. Разряды на сверхвысоких частотах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Газоразрядная плазма
- •6.1. Основные понятия
- •6.2. Диагностика плазмы
- •6.2.1. Метод зондов Лангмюра
- •6.2.2. Оптические методы исследования плазмы
- •6.2.3. Сверхвысокочастотные методы диагностики плазмы
- •6.3. Теории газоразрядной плазмы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Газоразрядные приборы
- •7.1. Приборы тлеющего разряда
- •7.1.1. Световые индикаторы
- •7.1.2. Стабилитроны тлеющего разряда
- •7.1.3. Вентили (газотроны) тлеющего разряда
- •7.1.4. Тиратроны тлеющего разряда
- •7.1.5. Переключаемые световые индикаторы
- •7.2.1. Газоразрядные источники света
- •7.3. Ионизационные камеры и счетчики излучений
- •7.3.1. Ионизационные камеры
- •7.3.2. Пропорциональные счетчики
- •7.3.3. Счетчики Гейгера
- •7.4. Разрядники антенных переключателей
- •7.5. Газоразрядные индикаторные панели
- •7.6. Газоразрядные знаковые индикаторы (монодисплеи)
- •7.6.1. ГИП постоянного тока
- •7.6.2. ГИП переменного тока
- •7.6.3. Получение полутоновых изображений на ГИП
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ III. ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
- •8.1. Концентрация носителей заряда в полупроводниках
- •8.2. Электропроводность полупроводников
- •8.3. Диффузионное движение носителей заряда в полупроводниках
- •8.4. Неравновесные носители заряда в полупроводниках
- •8.5. Поверхностные явления в полупроводниках
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Электрические переходы
- •9.1. Структура и основные параметры n-p перехода
- •9.2. Равновесное состояние n-p перехода
- •9.3. Неравновесное состояние n-p перехода. Явления инжекции и экстракции носителей заряда
- •9.4. ВАХ идеализированного перехода
- •9.5. ВАХ реального n-p перехода
- •9.7. Емкостные свойства n-p перехода
- •9.8. Контакт металл-полупроводник
- •9.9. Гетеропереходы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Полупроводниковые диоды
- •10.1. Выпрямительные диоды
- •10.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды
- •10.3. Импульсные диоды
- •10.4. Стабилитроны
- •10.5. Полупроводниковые управляемые емкости (варикапы)
- •10.6. Туннельные и обращенные диоды
- •10.7. Диоды Шотки
- •10.8. Диоды Ганна
- •10.9. Лавинно-пролетные диоды
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Биполярные транзисторы
- •11.1. Классификация биполярных транзисторов
- •11.2. Физические процессы в транзисторе
- •11.3. Распределение токов в транзисторе
- •11.4. Эффект модуляции ширины базы
- •11.5. Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора
- •11.6. Частотные характеристики биполярного транзистора
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12. Тиристоры
- •12.1. Классификация тиристоров
- •12.2. Распределение токов в тиристоре
- •12.3. Особенности работы управляемых тиристоров
- •12.4. Тиристор с симметричной ВАХ
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. Униполярные полупроводниковые приборы
- •13.1. Классификация и основные особенности
- •13.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)
- •13.4. Дифференциальные параметры МДП-транзистора
- •13.5. Принцип работы полевого транзистора с управляющим n-p переходом
- •13.6. Частотные характеристики МДП-танзисторов
- •13.7. Сравнительная характеристика МДП и биполярного транзистора
- •13.8. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. Светоизлучающие и фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.1. Светоизлучающие полупроводниковые приборы
- •14.1.1. Светодиоды
- •14.2. Фотоэлектронные полупроводниковые приборы
- •14.2.1. Поглощение оптического излучения полупроводниками
- •14.2.2. Фоторезистивный эффект и приборы на его основе
- •14.2.3. Фотоэлектрический эффект в n-р переходе
- •14.2.4. Фототранзисторы и фототиристоры
- •14.2.5. Оптоэлектронные пары
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15. Полупроводниковые датчики
- •15.1. Датчики температуры
- •15.2. Датчики деформации
- •15.3. Датчики магнитного поля
- •Контрольные вопросы
- •Глава 16. Основы квантовой электроники
- •16.2. Физические основы взаимодействия излучения с веществом
- •16.2.1. Форма и ширина спектральной линии
- •16.3. Устройство и принципы работы лазеров
- •16.3.1. Рабочее вещество
- •16.3.2. Создание инверсии
- •16.3.3. Условия создания инверсной населенности
- •16.3.4. Двухуровневая система
- •16.3.5. Трехуровневые системы
- •16.3.6. Четырехуровневая система
- •16.3.7. Оптические резонаторы
- •16.3.8. Условия самовозбуждения и насыщения усиления
- •16.4. Свойства лазерного излучения
- •16.4.1. Монохроматичность
- •16.4.2. Когерентность
- •16.4.3. Поляризация излучения
- •16.4.4. Направленность и возможность фокусирования излучения
- •16.4.5. Яркость и мощность излучения
- •16.5. Типы лазеров
- •16.5.1. Твердотельные лазеры
- •16.5.2. Рубиновый лазер
- •16.5.3. Неодимовый стеклянный лазер
- •16.5.4. Nd – ИАГ – лазеры
- •16.5.5. Газовые лазеры
- •16.5.6. Атомные лазеры
- •16.5.7. Лазеры на парах металлов
- •16.5.8. Ионные лазеры
- •16.5.9. Молекулярные лазеры
- •16.5.10. Эксимерные лазеры
- •16.5.11. Газовые лазеры в инфракрасной области спектра
- •16.5.12. Химические лазеры
- •16.5.13. Газодинамические лазеры
- •16.5.14. Электроионизационные лазеры
- •16.5.15. Полупроводниковые лазеры
- •16.5.16. Жидкостные лазеры
- •Контрольные вопросы
- •Глава 17. Основы оптоэлектроники
- •17.1. Этапы и перспективы развития оптической электроники
- •17.2. Источники излучения для оптоэлектроники
- •17.3. Фотоэлектронные приемники излучения
- •17.4. Модуляция лазерного излучения
- •17.4.1. Физические основы модуляции лазерного излучения
- •17.4.2. Оптические модуляторы
- •17.4.3. Дефлекторы
- •17.5.1. Элементная база ВОЛС
- •17.5.2. Классификация ВОЛС
- •17.6. Оптические методы запоминания и хранения информации. Оптические (лазерные) диски
- •17.7. Голографические системы хранения и обработки информации
- •17.7.1. Принцип голографии
- •17.7.2. Голографическое запоминающее устройство
- •17.7.3. Голографические схемы записи и считывания информации
- •17.8. Системы отображения информации
- •17.8.1. Особенности зрительного восприятия информации
- •17.8.2. Физические эффекты, используемые для отображения информации
- •17.8.3. Жидкокристаллические индикаторы
- •17.8.4. Жидкокристаллические индикаторные панели
- •17.9. Электролюминесцентные индикаторы
- •17.10. Дисплеи с полевой (автоэлектронной) эмиссией
- •17.11. Отражающие дисплеи (электронная бумага)
- •17.12. Системы отображения информации на основе полупроводниковых светодиодов
- •Контрольные вопросы
- •ЧАСТЬ V. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ, МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
- •Глава 18. Предмет микроэлектроники
- •18.1. Основные термины и определения
- •18.2. Классификация ИМС
- •18.2.1. Плёночные ИМС
- •18.2.2. Гибридные ИС
- •18.2.3. Полупроводниковые ИМС
- •18.2.4. Совмещенные ИМС
- •18.3. Система обозначений ИМС
- •Контрольные вопросы
- •Глава 19. Биполярные структуры в микроэлектронике
- •19.1. Транзисторы с изоляцией на основе n-p перехода
- •19.2. Транзисторы с диэлектрической изоляцией
- •19.3. Транзисторы с комбинированной изоляцией
- •19.4. Транзисторы типа p–n–p
- •19.5. Многоэмиттерные транзисторы
- •19.6. Многоколлекторные транзисторы
- •19.7. Транзисторы с диодом Шотки
- •19.8. Интегральные диоды и стабилитроны
- •Контрольные вопросы
- •Глава 20. Униполярные структуры в микроэлектронике
- •20.1.1. МДП–транзистор с алюминиевым затвором
- •20.1.3. Конструкция Д–МДП–транзисторов
- •20.1.4. Комплементарные микроэлектронные структуры
- •20.2.1. Пороговое напряжение
- •20.2.2. Вольт-амперные характеристики
- •20.4. Принцип действия МЕП-транзистора
- •20.5. Элементы полупроводниковых постоянных запоминающих устройств (ПЗУ)
- •20.5.1. МНОП-транзистор
- •20.5.3. Двухзатворный МДП–транзистор
- •Контрольные вопросы
- •Глава 21. Микроэлектроника субмикронных СБИС
- •21.2. Методы улучшения характеристик субмикронных МДП-транзисторов
- •21.2.1. Ореол
- •21.2.2. Ретроградное распределение
- •21.2.3. Подзатворный диэлектрик
- •21.2.4. Области стока и истока
- •21.2.5. Напряженный кремний
- •21.3. Субмикронные МДП-транзисторы на диэлектрических подложках
- •21.3.1. Структуры «кремний на изоляторе»
- •21.3.2. Cтруктура «кремний ни на чём»
- •21.4.1. Транзисторы с двойным и с окольцовывающим затвором
- •21.4.2. Транзисторы с вертикальным каналом
- •21.5. Особенности субмикронных транзисторов для аналоговых применений
- •Контрольные вопросы
- •Глава 22. Гетероструктуры в микроэлектронике
- •22.1. Основные свойства гетероперехода
- •22.1.1. Сверхинжекция неравновесных носителей заряда в гетеропереходе
- •22.1.2. Понятие о двухмерном электронном газе
- •22.2. Гетероструктурные полевые транзисторы
- •22.2.1. Транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ)
- •22.2.2. Псевдоморфные и метаморфные структуры (р-НЕМТ и m-НЕМТ)
- •22.2.3. НЕМТ на подложках из GaN
- •22.3. Гетеропереходные биполярные транзисторы
- •22.4. Интегральные микросхемы на гетеропереходных полевых транзисторах
- •Контрольные вопросы
- •Глава 23. Пассивные элементы ИМС
- •23.1. Полупроводниковые резисторы
- •23.2. Плёночные резисторы
- •23.3. Конденсаторы и индуктивные элементы
- •23.4. Коммутационные соединения
- •23.4.1. Задержка распространения сигнала
- •23.4.2. Электороимграция
- •Контрольные вопросы
- •Глава 24. Функциональная электроника
- •24.1. Пьезоэлектроника
- •24.2. Оптоэлектроника
- •24.3. Акустоэлектроника
- •24.4. Магнитоэлектроника
- •24.5. Криоэлектроника
- •24.6. Хемотроника
- •24.7. Молекулярная и биоэлектроника
- •24.8. Приборы с зарядовой связью
- •24.9. Диэлектрическя электроника
- •24.10. Приборы на основе аморфных материалов
- •Глава 25. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
- •25.1. Квантовые основы наноэлектроники
- •25.1.1. Квантовое ограничение
- •25.1.2. Интерференционные эффекты
- •25.1.3. Туннелирование
- •25.3. Квантовые транзисторы
- •25.4. Нанотрубки в электронике
- •25.5. Графеновые транзисторы (спинтроника)
- •25.6. Молекулярная электроника
- •25.6.1. Квантовые компьютеры
- •25.7. Заключение
- •Список рекомендуемой литературы
- •CПРАВОЧНЫЙ РАЗДЕЛ
- •Содержание
Fа |
|
Fп |
|
1,0 |
|
0,8 |
|
0,6 |
|
0,4 |
|
0,2 |
|
0,0 |
U |
|
Рис. 17.2. Влияние управляющего напряжения на интенсивность излучения
на выходе электрооптического модулятора
Вкачестве тонкопленочных электрооптических модуляторов применяются и полупроводники. Линейный электрооптический эффект в полупроводниковых n–р переходах возникает при приложении обратного напряжения из-за изменения концентрации свободных носителей, что
приводит к изменению диэлектрической проницаемости и коэффициента преломления. В тонкопленочных структурах на основе арсенида галлия или фосфида индия управляющее напряжение составляет единицы вольт.
Вполупроводниковых структурах реализуется и принцип модуляции интенсивности излучения. Интенсивность излучения в полупроводнике
затухает экспоненциально, при этом глубина модуляции 0,6 – 0,7 достигается при изменении коэффициента поглощения в 10 раз. В полупроводниковых модуляторах, основанных на поглощении излучения свободными носителями заряда, концентрация носителей регулируется инжекцией носителей через n–р переход. Преимущества таких модуляторов состоят в малых рабочих напряжениях, простоте, надежности и высокой технологичности конструкции. К недостаткам следует отнести влияние
изменения концентрации носителей при модуляции на другие электрофизические параметры структуры.
17.4.3. Дефлекторы
Дефлектор представляет собой устройство для изменения пространственного положения лазерного луча. Наибольшее применение в
оптоэлектронике находят электрооптические и акустооптические дефлекторы. Схема электрооптического дефлектора показана на рис. 17.3. Он представляет собой многокаскадное устройство. Каждый каскад состоит
321
из оптического модулятора поляризации 1 и двулучепреломляющего кристалла 2. С помощью модулятора обеспечивается плавное изменение поляризации излучения по заданному закону. В кристалле 2 излучение раздваивается, и эти процессы повторяются в каждом каскаде.
1-й каскад 2-й каскад 3-й каскад
1 |
2 |
UУПР UУПР UУПР
Рис. 17.3. Схема электрооптического дефлектора
В зависимости от комбинации управляющих напряжений можно получить 2i дискретных положений в пространстве луча на выходе дефлектора (i – число каскадов). Общее число положений луча в пространстве, достижимое в электрооптическом дефлекторе, составляет
N = |
ϕd |
, |
(17.9) |
|
λ |
||||
|
|
|
где N – число положений луча, ϕ – максимальный угол отклонения луча, λ – длина волны.
Важным достоинством такого дефлектора является высокое быстродействие: при N = 1000 время переключения составляет около 0,1 мкс. При увеличении N быстродействие ухудшается. Оптимальной является такая конструкция дефлектора, в которой при заданном N обеспечивается минимальная мощность управления и минимальное время переключения.
Оптимизация достигается фокусировкой лазерного луча и уменьшением паразитной емкости электрооптических кристаллов. В дефлекторах применяются те же материалы, что и в модуляторах, например, ниобат лития. Наличие многих кристаллов в приборе выдвигает повышенные
требования к качеству и параметрам исходных материалов и конструкции в целом.
17.5.Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)
Споявлением лазеров появилась возможность использования электромагнитных колебаний оптического диапазона в системах связи. Но открытые линии лазерной связи недостаточно надежны, и потенциальные
возможности оптической связи стали эффективно реализовываться после появления в середине шестидесятых годов волоконных световодов.
322
Волоконные световоды являются основой современных ВОЛС. Структурная схема волоконно-оптической линии связи показана на рис. 17.4.
Она включает в себя следующие основные элементы: входное кодирующее устройство КУ, передатчик, оптический кабель, ретранслятор Р, приемник, выходное декодирующее устройство ДКУ.
|
передатчик |
|
|
|
|
|
|
приемник |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КУ |
|
Л |
|
|
М |
|
Р |
|
ФП |
|
|
У |
|
|
ДКУ |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 17.4. Структурная схема волоконно-оптической линии связи
Кодирующее устройство преобразует исходную информацию в форму, удобную для передачи. Главная часть передатчика – лазер Л (обычно полупроводниковый). Закодированная в электрическом сигнале информация поступает на модулятор, который управляет интенсивностью излучения лазера.
Далее модулированный оптический сигнал передается по оптическому кабелю к приемнику. В длинных линиях связи могут быть использованы
промежуточные ретрансляторы для восстановления уровня передаваемого сигнала. Фотоприемник ФП преобразует оптический сигнал в электрический, который затем усиливается и после декодирования поступает на устройство отображения информации.
Основные отличительные особенности ВОЛС:
∙высокая помехозащищенность по отношению к электромагнитным воздействиям;
∙малые габариты и масса по сравнению с линиями проводной связи (выигрыш в 3 – 5 раз);
∙широкий диапазон рабочих частот, позволяющий в принципе
передавать по одной линии связи одновременно десять миллиардов телефонных разговоров или миллион телевизионных программ;
∙секретность передачи информации: ВОЛС не дает излучения в окружающее пространство, а подключение отводов оптической энергии без разрушения кабеля невозможно;
∙потенциально низкая стоимость и высокая долговечность оптических линий связи по сравнению с проводными.
323
17.5.1. Элементная база ВОЛС
Элементная база волоконно-оптических систем включает в себя активные оптоэлектронные элементы (излучатели, приемники, оптические усилители, модуляторы и др.). Эти элементы были рассмотрены выше. К оптическим элементам ВОЛС относятся кабели, оптические разъемы, устройства ввода и вывода излучения. Остановимся на этих элементах подробнее.
Основу волоконно-оптической линии связи составляют оптические кабели, изготавливаемые из отдельных световодов. Передача оптической
энергии по световоду осуществляется с помощью эффекта полного внутреннего отражения. В качестве примера рассмотрим цилиндрический двухслойный световод (рис. 17.5).
Пусть показатель преломления внутренней жилы составляет n1, а внешней оболочки n2. При этом n1 > n2, то есть материал жилы оптически более плотен. Для излучения, входящего в световод под малыми углами к оси, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении
излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода.
Рис. 17.5. Цилиндрический двухслойный световод
То же самое происходит и при всех последующих отражениях, и в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя за его пределы. Максимальный угол отклонения от оси, при котором наблюдается полное внутреннее отражение, определяется выражением:
А = sinϕ |
0 |
= (n2 |
− n2 )1/ 2 . |
(17.10) |
0 |
1 |
2 |
|
Величина Ао называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании его с излучателем. Излучение, падающее на торец под более высокими углами (внеапертурные лучи) при взаимодействии с оболочкой не только отражается, но и преломляется, а часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многократных встреч с границей жила – оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.
Излучение распространяется вдоль оси световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от центра к краю происходит плавно. В
324
таких световодах лучи, входящие в торец, фокусируются в осевом направлении. Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки. Такие световоды называются градиентными (английский термин self focus).
Основное требование к световодам – минимальные потери излучения.
Эти потери определяются значением коэффициента ослабления оптического сигнала В:
B = |
110lg |
Pвх |
дВ / км , |
(17.11) |
|
P |
|||||
|
l |
|
|
||
|
|
вых |
|
|
где Рвх, Рвых – мощность оптического сигнала на входе и выходе световода, l – длина световода.
Ослабление оптического сигнала обычно измеряется в децибелах на километр и составляет в современных световодах около 0,5 дБ/км, что близко к теоретическому пределу (около 0,2 дБ/км).
Потери в световоде связаны с поглощением и рассеянием оптического излучения. Поглощение излучения чаще всего связано с примесями. Так, заметное поглощение в кварце и стекле дают ионы меди, хрома, кобальта, железа и другие. Сильно поглощающие центры образуют гидроксил-ионы, неизбежно присутствующие в материале световода.
Потери рассеяния зависят от наличия в материале световода пузырьков, кристаллических включений и других технологических дефектов. Возможно так же рассеяние, вызванное неоднородностью плотности или состава материала по объему. Последнее и определяет нижний предел потерь в световодах.
В оптических кабелях световоды дополняются элементами, обеспечивающими эластичность и прочность системы. Обычно каждый световод покрывается индивидуальной тонкой защитной пленкой, затем
жгут световодов объединяется общей оболочкой и помещается в защитную оплетку, обеспечивающую механическую прочность и устойчивость к внешним воздействиям. Все защитные оболочки выполняются из полимеров.
Определенный интерес представляют трубчатые капиллярные световоды с жидкостным или газовым наполнением. Достоинствами их являются возможности получения малых потерь, большого диаметра световедущей области, использования дешевого низкосортного стекла для оболочки. Но такие световоды имеют более сложную конструкцию и
отличаются меньшей стабильностью параметров по сравнению с кварцевыми и стеклянными. Безусловно, наиболее дешевым материалом для световодов являются полимерные волокна. Хотя они имеют довольно высокие потери и плохую спектральную характеристику в ближней инфракрасной области, применение их в коротких линиях связи возможно.
Ввод излучения в световод представляет собой достаточно сложную задачу. Наименьшие потери на входе достигаются при использовании твердотельного лазера с узкоколлимированным лучом. В этом случае потери
325
на отражение не превышают 0,4 дБ. Полупроводниковые лазеры обладают худшей направленностью излучения, поэтому потери при сопряжении лазера с волокном достаточно велики. Так, для кабеля с затуханием 200 дБ/км эффективность ввода излучения составляет 70%, 50 дБ/км – 60% и при 20 дБ/км – 30%. Отметим, что переход от стеклянного волокна с большими потерями к кварцевому с малыми вполне оправдан, ибо потери на ввод увеличиваются на несколько децибел, а выигрыш при километровой длине составляет десятки децибел.
Наиболее сложно обстоит дело при соединении оптических кабелей со светодиодами, имеющими широкую диаграмму направленности. Потери в этом случае могут составлять до 10 дБ. Увеличение эффективности ввода излучения достигается при использовании фокусировки излучения. Одним
из удобных вариантов входного линзового устройства является оплавление концов световодов до придания им полусферической формы.
Оптический разъем предназначается для многократного соединения и разъединения отрезков оптических кабелей между собой. Разъем должен быть прост, надежен, и давать минимальные потери. В простейшей
конструкции разъема торцы оптических кабелей подводятся вплотную друг к другу, юстируются и механически закрепляются. Переходные потери при этом составляют несколько децибел. Уменьшение потерь достигается при индивидуальном сочленении отдельных волокон. Уменьшение потерь за счет геометрических факторов (конечное расстояние между торцами, перекосы)
получается при введении в место соединения капли вязкой иммерсионной жидкости. Общие потери при индивидуальной стыковке могут быть менее
1 дБ.
Оптическими элементами ВОЛС являются также оптические разветвители и смесители. Оптический смеситель представляет собой отрезок моноволоконного световода с посеребренным торцом. Благодаря
многократному отражению излучения этот световой поток может быть равномерно распределен между другими световодами, соединенными со смесителем. Схема разветвления волоконно-оптической линии связи показана на рис. 17.6.
Широкое применение в практике находят различные способы неразъемного соединения световодов (сваривание, склеивание и др.).
326
Рис. 17.6. Разветвление волоконно-оптических линий связи |
Рис. 17.7. Виды гибких световодов
327