Тема 3.2. Волоконно-оптические кабели

Типы световодов и их основные параметры. Конструкция световодов и волоконно - оптических кабелей. Особенности передачи сиг­налов по волоконно-оптическим кабелям. Моды. Достоинства волоконно - оптических кабелей.

Студент должен:иметь представление:

о конструкции волоконно-оптических кабелей:

знать:

назначение и разновидности волоконно-оптических кабелей:

достоинства волоконно-оптических кабелей:

типы световодов и их основные параметры:

уметь:

определять модовые режимы.

Материал темы изложен в [1, 11.1-11.3].

В процессе изучения необходимо усвоить такие понятия, как: опти­ческий кабель, световод, параметры оптических сред, параметры волн в световоде, мода.

Достоинства оптических кабелей и систем передачи (в первую оче­редь экономия меди) вызвали повышенный интерес к ним и привели к тому, что оптоэлектроника опережает на мировом рынке все другие отрас­ли техники по темпам роста и составляет 40% в год.. Наряду с экономией цветных металлов оптические кабели обладают рядом достоинств: широкополосность, малые потери и большие длины трансляционных участков; малые габаритные размеры и масса; высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех; надежная техника безопасности.

Наряду с этим у оптических кабелей есть и недостатки: подвер­женность волоконных световодов радиации, водородная коррозия стекла. Область применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) весьма широка - от линии городской и сельской связи и бортовых комплексов до систем связи на большие расстояния с высокой информационной емко­стью. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть (ТФ, ТГ, ТВ, ПД и т.д.).

Очень перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и рас­ширяет возможности информационного обслуживания абонентов. Следует понять, что основным элементом оптического кабеля (ОК) является, воло­конный световод, по которому осуществляется передача микронных длин волн (10¹⁴ - 10¹⁵Гц„). Оптическое волокно (0В) имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями пре­ломления n₁ и n₂ (где ), причем, показатель преломления серд­цевины n₁ > n₂ - оболочки.

Следует уяснить, что 0В классифицируется на две группы: одномодовые и многомодовые, а последние подразделяются на ступенчатые и градиентные. В одномодовых ОБ диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны (d=λ) и по нему передается лишь один луч - тип волны (мода). В многомодовых 0В сердцевина больше, чем длина волны (d>λ) и по нему распространяется большое число лучей - мод.

Одномодовые 0В обладают наилучшими характеристиками, так как в них распространяется только один луч. Последнее время в США еже­годно изготавливается по 1,5 млн км оптических волокон, причем 80% из них в одномодовом варианте.

Важно изучить структурную схему волоконно-оптической связи и конструкцию световодов и ВОК. Структурная схема волоконно-оптической связи с ИКМ приведена на рис.1.Основу ее составляет оптиче­ский кабель (ОК), а также оптический передатчик и приемник. Назначени­ем передатчика является преобразование электрического сигнала в опти­ческий (ЭОП), а приемника - оптического сигнала в электрический (ОЭП). В качестве ЭОП большее распространение получили полупроводниковый лазер (ПЛ) и светоизлучающий диод (СД), а в качестве ОЭП - фотодиод (ФД). Кроме того, для преобразования кода и согласования элементов схемы применяются кодирующие устройства, а также согласовывающие оптические устройства (СУ).

Преобразователь кода (ПК) формирует требуемую последователь­ность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощности меж­ду электрическими (ИКМ) и оптическими (ПЛ, СД и ФД) элементами схе­мы (от ИКМ идет высокий уровень, а для СД необходим весьма малый уровень). Передающие и приемные согласующие устройства (СУ) форми­руют и согласовывают диаграммы направленности между приемно-передающими устройствами и кабелем. Передаваемый сигнал ИКМ через ПК поступает в ЭОП.

Сигнал ИКМ модулирует оптическую несущую, создаваемую ПЛ или СД, и через передающее согласующее устройство поступает в оптиче­ский кабель. На приеме оптический сигнал через приемное согласующее оптическое устройство поступает в фотодиод, где он преобразуется в электрический сигнал и через преобразователь кода (ПК) поступает в при­емник ИКМ.

На практике все элементы оптического передатчика и приемника из­готавливают в виде компактного квантово-электронного модуля (КЭМ).

Такой модуль включает в себя ЭОП на передаче (или ОЭП на приеме), а также согласующее устройство. Конструктивно КЭМ позволяет подклю­чить с одной стороны аппаратуру ИКМ, а с другой оптический кабель.

Через 5, 10, и 50 км вдоль оптической линии располагаются линей­ные регенераторы (ЛР). В них сигнал восстанавливается и усиливается до требуемой величины. Структурная схема регенератора приведена на рис.2.

В регенераторе ЛР, содержащем два полукомплекта отдельно для прямого и обратного направлений передачи, оптический сигнал преобра­зуется в электрический, в таком виде регенерируется, усиливается, а затем обратно преобразуется в оптический для передачи по кабелю.

В качестве источников излучения, обеспечивающих преобразование электрических сигналов в оптические, применяются лазеры (Л) и светово­ды. (СД). В качестве приемника излучения, преобразовывающего оптиче­ский сигнал в электрический, применяется фотодиод (ФД).

 

Тема 3.3. Волноводы

Общие понятия, назначение, конструкция и параметры волноводов. Типы электромагнитных волн в волноводах. Скорость распространения волны в волноводе, критическая длина волны. Способы возбуждения волно­водов, устройства связи. Разветвления в волноводах.

Студент должен:

знать:

конструктивные особенности, назначение, параметры волноводов;

типы электромагнитных волн в волноводах:

способы возбуждения волноводов, устройства связи;

уметь:

анализировать режим работы волноводов по параметрам и характеристикам.

Материал этой темы изложен в [1, с.157-173]. Необходимо по­нимать, что в диапазоне сантиметровых волн в коаксиальных линиях при передаче электромагнитных колебаний возникают существенные потери энергии. Использование волноводов, полых металлических труб круглого или прямоугольного сечения, позволило решить эту задачу. Необходимо разобраться в режимах работы волноводов и типах электромагнитных волн, распространяющихся в них.