5.3. Волоконно - оптические линии передачи.

Использование принципиально нового конструктивного решения техники соединений - многожильных волоконно-оптических кабелей - позволяет значительно уменьшить объем и массу электрических соединений, повысить их радиационную стойкость, исключить влияние перекрестных помех.

Основу волоконно-оптической линии передачи составляет – световод, представляющий двухслойную конструкцию, состоящую из проводящей среды (сердцевины) и оболочки с

Рис. 5.12. Схема распределения и траектория распространения оптического сигнала в световоде.

Рис. 5.12. Схема распределения и траектория распространения оптического сигнала в световоде.

азными показателями коэффициентов преломления (рис. 5.12). В световодах передача сигнала происходит путем многократного отражения оптического сигнала от границы сердцевина-оболочка. Передача сигнала по световоду возможна при условии, если , где - длина волны передаваемого сигнала; - диаметр сердцевины световода.

Передача сигнала происходит из-за преломления и полного отражения световой энергии на границе сред с различными коэффициентами преломления. На рис. 5.12а электромагнитная волна Sпад, падая на границу двух диэлектрических сред под углом , частично отражается (Sотр) под углом и частично преломляется (Sпр) под углом . При этом соблюдается соотношение , где - коэффициенты преломления соответственно сердцевины и оболочки.

С увеличением угла возрастает угол и при значении = угол преломления становится равным 90 , когда преломленный сигнал скользит вдоль границы раздела сред (рис. 5.12б). При всех значениях > преломленная волна будет отсутствовать. Угол = = , при котором световая энергия зигзагообразно распространяется по сердцевине световода (рис. 5.12в), называют углом полного внутреннего отражения.

Режим полного внутреннего отражения световой энергии определяет и условие подачи сигнала на световод. Если на торец световода из среды с коэффициентом преломления падает сигнал под углом к оси сердцевины с коэффициентом преломления , то при определенном угле падения большим сигнал будет полностью отражаться от границы раздела среда-сердцевина. Для воздушной среды ( = 1) получим . Угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения, называется апертурой. Большая апертура позволяет получать и передавать максимум энергии от источника с большим углом излучения светового потока. Однако при угле близком к появятся искажения, т.к. часть световой энергии передается по сердцевине, часть по оболочке и некоторая часть оказывается в окружающем пространстве. Это приводит к расширению и некоторому ослаблению выходного сигнала световода (рис. 5.13). Кроме того сигнал на выходе оказывается задержанным на величину t_з за счет конечного времени прохождения по световоду.

Рис. 5.13. Задержка и искажение сигнала на выходе световода.

Между углом полного внутреннего отражения и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь: чем больше , тем меньше . Поэтому необходимо стремиться, чтобы угол входа луча в световод укладывался в апертурный угол , а угол падения луча на границу сердцевина-оболочка был бы больше угла полного внутреннего отражения .

Длина волны передаваемого сигнала связана с диаметром сердцевины выражением . Учитывая, что и , будем иметь

, ,

где и - критическая длина волны и частота передаваемого сигнала; c - скорость света.

Рис. 5.14. Схема волоконо-оптической линии передачи: 1 - светодиод; 2 -сердцевина; 3 - оболочка; 4 – фотодиод.

При длинах волн равных имеет место режим стоячей волны, когда энергия не передается, а рассеивается в окружающее пространство. При частотах выше критических энергия поля концентрируется внутри сердцевины и эффективно передается по световоду. Таким образом, в световоде могут лишь распространяться сигналы с длиной волны .

В волоконно-оптической линии передачи (рис. 5.14) оптическая энергия от светодиода 1 за счет полного внутреннего отражения передается по сердцевине 2 и воспринимается фотодиодом 4, ослабляясь на величину B=20lg(Pвх/Pвых)/l, где Pвх, Pвых - мощность оптического сигнала на входе и выходе световода; l - длина световода. Ослабление увеличивается при наличии неоднородностей и искривлений световода и достигает максимума, если радиус изгиба становится равным . Однако для большинства материалов световодов ограничением на минимальный радиус изгиба (обычно около 50 мм) является не чрезмерное ослабление сигнала, а растрескивание материала световода. Ослабление для кварцевых световодов составляет не более 2 дБ/км при диаметре световода 200 мкм и радиусах изгиба 50 мм.

В качестве материала световодов используются полимеры, стекло, кварц. Световоды поставляются отрезками длиной до 100 м. Отрезки могут сращиваться после шлифования торцов склеиванием, нагревом концевых частей и сращиванием под давлением, соединительными металлическими или пластмассовыми втулками, одеваемыми на концевые части сращиваемых отрезков.

Рис. 5.15. Конструкция цилиндрического (а) и плоского (б) оптического кабеля: 1 - световод; 2 - провод; 3 - защитная оболочка световода; 4 - защитная оболочка кабеля.

Оптический кабель состоит из скрученных определенным образом световодов, заключенных в общую защитную оболочку (рис. 5.15). По конструктивному исполнению многожильные волоконно-оптические кабели разнообразны и отличаются числом и формой укладки световодов, способом объединения в единую конструкцию, защитой от внешних воздействий. Каждый световод покрывается одно- или двухслойной защитной оболочкой 3. Внешняя защитная оболочка 4 (рис. 5.15) объединяет световоды в единую жесткую конструкцию, обеспечивая защиту от внешних воздействий. Центральная металлическая жила-провод 2 придает оптическому кабелю дополнительную жесткость.