4.6.1. Структурная схема и классификация

Создание стеклянных световодов с малыми потерями, быстродействующих источников когерентного излучения и фотоприемников сделало возможным практическое применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), привлекательных по целому ряду причин. Это прежде всего широкополосность и огромная информационная емкость, свойственная оптическим методам передачи и обработки сигналов, практически полная защищенность от внешних электромагнитных воздействий и межканальных взаимонаводок, эксплуатационная безопасность. Для доступа к распространяющемуся по световолокну сигналу оптический кабель нужно разрушить (разорвать), т. е. ВОЛС обеспечивает скрытность передачи информации. Замена цветных металлов материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами, потенциально простая технология производства волоконно-оптических кабелей существенно удешевляют линии связи. Стеклянные световоды могут работать при высоких температурах, обладают химической стойкостью, малым весом, поперечным сечением и т. п. Таким образом, ВОЛС по важнейшим показателям превосходит все другие системы связи (но, конечно, непригодны для связи с движущимися и космическими объектами).

Ключевым элементом, в значительной степени определяющим достоинства волоконно-оптических систем связи, является световод с малыми оптическими потерями. Типичные значения затухания сигнала в стеклянном многомодовом световолокне составляют 3—4 дБ/км в спектральной области 0,8—0,9 мкм (согласующейся с арсенид-галлиевыми источниками излучения) и 0,5—1 дБ/км в области 1,3—1,6 мкм. Минимальные потери для чистого кварцевого волокна приходятся на длину волны 1,55 мкм и составляют 0,14—0,16 дБ/км, а в распространенном случае легирования сердцевины диоксидом германия — 0,2—0,3 дБ/км, что соответствует ослаблению сигнала 1—2% на 1 км и позволяет осуществлять безретрансляционную связь на больших расстояниях вплоть до ста километров (в земной атмосфере ослабление излучения с длиной волны 1 мкм составляет ~100 дБ/км, т. е. на расстоянии 1 км более чем в 1•109 раз). Привлекательность диапазона 1,2—1,5 мкм обусловлена еще и тем, что в кварцевом стекле в этой спектральной области наименьшая материальная дисперсия (для λ≈1,3 мкм она «нулевая») и, кроме того, радиационная стойкость заметно выше, чем для λ =0,8 ÷ 0,9 мкм.

Относительно короткая ВОЛС состоит из светодиода, оптического кабеля и фотодиода. Тем не менее даже в этом простом случае возникает целый ряд проблем: оптическое сочленение световолокна с источником излучения и фотоприемником, их согласование по спектрам и быстродействию, позволяющие реализовать преимущества оптической связи, и др. Для повышения надежности и удобства работы светодиод или полупроводниковый лазер, электронную микросхему, дискретные элементы, узел оптической стыковки вместе с разъемом для соединения со световолокном собирают в виде единого устройства, называемого квантово-электрониым модулем (КЭМ). Для поддержания выходной мощности излучения неизменной при изменении температуры, а также в результате деградационных процессов в КЭМ используют обратную связь. Для этого в передающий КЭМ устанавливают фотодиод, на который попадает излучение источника и сигнал с которого подают на электронную схему. Изменение выходной мощности компенсируется автоматическим изменением силы тока через светоизлучающий или лазерный диод. Подобно передающему КЭМ на базе фотоприемника (обычно фотодиода) компонуют приемные КЭМ.

Информационную емкость ВОЛС можно увеличить за счет спектрального уплотнения канала, т. е. передачи по одному световолокну излучения с различной длиной волны. Для этого требуются источники, работающие на разных, но достаточно близких длинах волн, а также устройства объединения оптических каналов на входе и их разделения на выходе волоконной линии — мультиплексоры и демультиплексоры. Все это предполагает создание для волоконных линий связи интегрально-оптических схем, включающих в себя источники излучения, направленные ответвители, модуляторы, переключатели, фотоприемники и, наконец, электронные интегральные усилительные схемы, если при большой длине ВОЛС требуются промежуточные усилители или ретрансляторы (аналогично радиорелейным линиям связи).

Области практического применения ВОЛС чрезвычайно широки. В зависимости от протяженности они условно делятся на объектовые, городские (межгородские, зоновые) и магистральные, вплоть до межконтинентальных.

Внутриобъектовые ВОЛС — это относительно короткие (1 — 100 м) бортовые линии на кораблях, самолетах, ракетах и космических аппаратах, внутри учреждений и предприятий, в аппаратуре контроля и управления (работающей в условиях сильных помех, с высоковольтными и сильноточными цепями), для передачи световых импульсов большой мощности в лазерной технологии, медицине и т. п. Для внутриобъектной линии связи оптические потери, модовая и хроматическая дисперсия—не очень критические характеристики. Выделяют также так называемые монтажные волоконно-оптические кабели (длиной до 10—30 м), предназначенные для внутриблочных и межблочных соединений в аппаратуре.

Городские ВОЛС имеют среднюю протяженность до 50— 100 км, межгородские (зоновые) — до 200—300 км и предназначены для связи ЭВМ с отдаленными терминалами, устройствами сбора данных, телефонной, телеграфной и видеотелефонной связи. Следует оговорить использование ВОЛС для многопрограммного телевидения, что важно как с точки зрения повышения качества и надежности передачи в условиях сильных помех, экранирования высотными зданиями, рельефом местности, так и радикальной перестройки информационной службы, соединения абонентов с крупными библиотеками, банками данных, информационно-вычислительными центрами и др.

Назначение магистральных ВОЛС — передача информации на большие расстояния (сотни и тысячи километров). При минимальных оптических потерях они должны быть устойчивыми к многолетним воздействиям неблагоприятных внешних факторов (например, при укладке под землей, под водой). В магистральных ВОЛС используют дорогостоящие оптические кабели, содержащие гидроизолирующую оболочку, армирующие элементы и т. п.

Передачу сигналов в ВОЛС осуществляют как в аналоговой, так и в цифровой форме. Широкополосность световолокон делает предпочтительной передачу информации в цифровой форме, как более точной и надежной, менее чувствительной к шумам и искажениям.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.