Волоконно-оптические ЛП

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 ЛП составляет оптический кабель — световод, представляющий (рис. 5.12) двухслойную конструкцию, состоя­щую из проводящей среды (сердцевины) и оболочки, с разными показате­лями коэффициентов преломления.

Передача светового сигнала происходит из-за преломления и много­кратного полного отражения энергии сигнала при переходе из среды с од­ним коэффициентом преломления в среду с другим коэффициентом пре-

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

ломления. На рис. 5.12, а электромагнитная волна S_пад, падая на границу двух диэлектрических сред под углом Θ_пад, частично отражается (S_отр) от

границы раздела под углом Θ_пад и частично преломляется (S_np) под углом

Θ_пр. При этом соблюдается соотношение n ₁sinΘ_пад = п₂ sinΘ_пр, где n ₁, п₂ —

коэффициенты преломления соответственно сердцевины и оболочки.

С увеличением угла Θ_пад возрастает угол Θ_пр и при Θ_пад = Θ₀ стано­вится равным 99°, а преломленный световой сигнал скользит вдоль границы раздела сред (см. рис. 5.12, б). При всех значениях Θ_пад > Θ₀ преломленная

волна будет отсутствовать. Угол Θ₀ = arcsin(n₁ / п₂), при котором световая энергия зигзагообразно распространяется по сердцевине световода (рис. 5.12, в), называют углом полного внутреннего отражения.

Угол полного внутреннего отражения определяет условие падения светового сигнала на торец световода. Если на торец световода из окру­жающей среды с коэффициентом преломления п₀ падает сигнал под углом а с коэффициентом преломления п₁ к оси сердцевины, то при определенном угле падения α = arcsin(—cosΘ_max) сигнал будет полностью отражаться от границы раздела сред сердцевина—среда.

Для воздушной среды (n₀= 1) получим

sina_max =. Угол а_шах между оптической осью и од­ной из образующих светового конуса, при котором выполняется условие полного внутреннего отраже­ния, называется апертурой. Большая апертура по­зволяет воспринимать и передавать максимум энер­гии от источника с большим углом излучения свето­вого потока. Однако при угле а_max появятся

Рис. 5.13.Задержка и искажение сигна­ла на выходе свето­вода

искажения, так как часть световой энергии переда­ется по сердцевине, часть по оболочке и некоторая часть окажется 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 t₃ за счет конечного времени про­хождения по световоду.

Между углом полного внутреннего отражения Θ_О и апертурным углом падения луча а_mах существует взаимосвязь: чем больше Θ_О, тем меньше а_тах. Поэтому необходимо стремиться, чтобы угол входа луча в световод уклады­вался в апертурный угол а_mах, а угол падения луча на границу сердцевина— среда был больше угла полного внутреннего отражения Θ_О.

Длина волны передаваемого по световоду сигнала связана с диаметром сердцевины выражением λ = dcos Θ_пад. Учитывая, что cos Θ_пад = ^/1 - sin² 9_пад и sinΘ_пад = п₂1п₁ получим

,

где λ_кр f_кр — критическая длина волны и частота передаваемого по свето­воду сигнала; с — скорость света.

При λ_кр имеет место режим стоячей волны, когда энергия рассеивается в окружающее пространство и по световоду не передается. 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 λ<d, а световоды ведут себя как высокочастотные фильтры.

В волоконно-оптической ЛП (рис. 5.14) оптическая энергия от свето-диода 1 за счет полного внутреннего отражения передается по сердцевине 2

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

и воспринимается фотодиодом 4, ослабляясь на величину В = = 20lg(P_вх / P_BЫX)/l, где Р_т Р_вых — мощность оптического сигнала на входе и выходе световода; / — длина световода. Ослабление увеличивается при наличии не-однородностей и искривлений световода и достигает максиму­ма, если радиус изгиба стано­вится равным 1/2 длины волны передаваемого сигнала. 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 используют полимеры, стекло, кварц. Световоды поставляются отрезками длиной до 100 м. Отрезки можно сращивать после шлифования торцов склеиванием, нагревом концевых час­тей и сращиванием под давлением, соединительными металлическими или пластмассовыми втулками, надеваемыми на концевые части сращиваемых отрезков.

Оптический кабель состоит из скрученных определенным образом световодов, заключенных в общую защитную оболочку (рис. 5.15, а). 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.

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

Дата добавления: 2014-01-04