Зв'язок - передача інформації з одного пункту в інший. Зазвичай інформація передається за допомогою високочастотних електромагнітних коливань (сигналів несучої частоти), які модулюються низькочастотними інформаційними сигналами, які надходять на приймальний пристрій, де відбувається демодуляція і виділення інформаційного низькочастотного сигналу.
Оптичним зв'язком людство користується досить давно: для зв'язку застосовувалися багаття на височинах, що відображають дзеркала. І сьогодні на флоті застосовуються сигнальні вогні (обмін інформацією між судами). Намагалися випромінювання пропустити по відполірованою всередині металевій трубі, але при цьому втрачається багато світла.
Інтерес до оптичного зв'язку відродився в 60-х роках 20-го століття. Поштовхом послужило винахід лазера, та й радіодіапазон виявився повністю освоєним. При передачі інформації необхідно, щоб частота модуляції була б в 10. 100 разів менше несучої частоти. Частоти модуляції займають деяку смугу частот, і ширина її тим більше, чим більше обсяг переданої інформації. Для передачі мови достатня смуга від 10 до 1000 Гц, для передачі музичних програм - від 10 до 10000 Гц. Це означає, що для передачі музики несуча частота повинна бути ≥ 10 5 Гц. Для передачі одного телевізійного каналу потрібна смуга частот близько 10 7 Гц, а несуча частота - ≥ 10 8 Гц. Навіть в СВЧ-діапазоні можна передавати лише близько 100 телепрограм.
Лекція 9 Основи волоконної оптики
У 50-х роках 20-го століття виник новий напрям в науці - волоконна оптика, наука про поширення оптичного випромінювання по волоконних світловодів. Світло поширювався по спеціальному оптичному джгута, виготовленого зі скляних волокон. У той час пропускання світловода у видимій області спектра становило 30-70% на довжині один метр. У склі є багато домішок, що знижують його прозорість. У 70-х роках 20-го століття відбулося друге народження волоконної оптики, коли з'явилися волоконні світловоди на основі кварцового скла з оптичними втратами 1 дБ / км в ближній ІЧ-області спектра. пропускання становило
50% при довжині хвилеводу в кілька кілометрів. У волоконних световодах втрати світлової хвилі, загасання сигналу, виражається в белах (Б) і децибелах (дБ) на одиницю довжини (названа в честь А.Белла):
Бел - одиниця логарифмічного рівня енергетичної величини р2 (потужність, інтенсивність звуку або електромагнітної енергії) щодо початкового рівня р1 однойменної величини. Якщо до = 1, то вимірювання ведуться в Б, якщо ж до = 10, то - в дБ. Втрати в оптичному волокні мало залежать від частоти, загасання незначне навіть на частотах аж до 10ГГц. На рис. 33 представлено ослаблення сигналу в залежності від частоти модуляції для оптоволокна і двухпроводного мідного кабелю.
Струм через металевий кабель тече відповідно до закону Ома, для змінного струму спостерігається скін-ефект (струм йде по поверхні провідника), з ростом частоти модуляції ослаблення сигналу відбувається майже по експоненті.
Що ж собою являє волоконний світловод? Це довга гнучка нитка, серцевина якої складається з високопрозрачного діелектрика з показником заломлення n1 Серцевина оточена оболонкою з показником заломлення n2 Зменшуючи твір цих величин, можна домогтися поширення світловодом лише однієї моди. В цьому випадку волоконний світловод називається одномодовим. Є багато типів структур світловодів, проте найбільшого поширення набуло три типи: багатомодові із ступінчастим профілем показника заломлення; багатомодові з градієнтним профілем показника заломлення; одномодові. В одномодових световодах зазвичай 2а ≈ 5 -10 мкм (для ближнього інфрачервоного діапазону), в многомодових- від декількох десятків до декількох сотень мкм. Різниця An для багатомодових світловодів становить 1-2%, для одномодових - кілька десятих часток відсотка. Повний діаметр світловодів становить Поширення світла по волоконному световоду обумовлено повним внутрішнім відбиттям світла на кордоні серцевина-оболонка. Коли були враховані хвильові властивості світла, було виявлено, що з континууму світлових променів в межах кута повного внутрішнього відбиття від кордону направляючої структури тільки обмежене число променів з дискретними кутами можуть утворювати направляються хвилі структури. Крім повного внутрішнього відображення, ці промені повинні задовольняти ще умові, яке полягає в тому, що після двох послідовних перевідбиттів від стінок відповідні променям хвилі повинні бути в фазі і таким чином интерферировать при накладенні один на одного. Тільки коли хвилі задовольняють такому фазового умові, вони будуть підкорятися структурі і формувати самоузгоджене розподіл поля спрямованих хвиль (мод). Якщо ця умова не виконується, хвилі інтерферують так, що гасять самі себе і зникають. Квантування хвиль в дискретний ряд направляються мод було виявлено тільки тоді, коли були вирішені рівняння Максвелла для деяких приватних видів напрямних структур. Промені, які падають на межу серцевина-оболонка під кутом Поширення світла по световоду супроводжується такими оптичними явищами, як загасання оптичного сигналу, розширення коротких імпульсів світла, різні нелінійні процеси. Загасання оптичного сигналу в волоконному световоде, де кварцові скла мають максимальну прозорість, визначається як фундаментальними механізмами поглинання і розсіяння світла в склі, так і поглинанням домішками і дефектами структури. До фундаментальних механізмів оптичних втрат в кварцових стеклах відносяться: поглинання, обумовлене електронними переходами; ІК-поглинання, обумовлене коливаннями решітки, яке починає відігравати суттєву роль лише на λ> 1.8 мкм; релеевское розсіювання світла на неоднорідностях складу і щільності скла, менших λ. Таким чином, найбільшою прозорістю волоконний світловод на основі кварцового скла володіє в області 0.8 -1.8 мкм. Розширення оптичних імпульсів при розповсюдженні по волоконному световоду призводить до їх взаємного перекриття, що обмежує інформаційну смугу пропускання світловода. Найбільший внесок в розширення імпульсів в багатомодових системах вносить межмодовая дисперсія - різна групова швидкість поширення різних мод. Різниця групових швидкостей мод можна значно знизити, забезпечивши плавну зміну показника заломлення за законом, близькому до параболічного, з максимумом на осі світловода. Волоконні світловоди в області λ 1.3 мкм дозволяють передавати сигнали з пропускною здатністю Волоконно-оптична лінія зв'язку складається з трьох основних модулів: - передавального - модулятор, джерело випромінювання (світлодіод, лазер); - приймального - р- i-n-діод і система обробки сигналу; - транслює - елементи введення випромінювання, саме волокно, елемент зв'язку з фотоприймачем. Для передачі світла на великі відстані використовуються оптичні кабелі. При їх виготовленні окремі волокна покриваються тонкими полімерними плівками, потім збираються в джгут, який покривається оболонкою. Зовні на кабель наноситься обплетення, що захищає його від механічних пошкоджень. Для введення випромінювання в світловод використовуються лінзи. Замість звичайних лінз застосовуються так звані градієнтні лінзи (Градан), в яких фокусна відстань зменшується не за рахунок геометрії, а за рахунок використання матеріалів з плавно мінливих показником заломлення. Градієнтні стрижневі лінзи використовуються для створення мультиплексорів і демультіплексорів. З інших застосувань світловодів в першу чергу необхідно згадати про волоконно-оптичних гіроскопах - оптичного вимірювача кутових швидкостей (ефект Саньяка). Широка область застосування світловодів -Датчики фізичних величин, засновані на зміні властивостей світловоду при впливі температури, тиску, магнітного поля. Волоконно-оптичні вироби широко застосовуються для перенесення зображення. Для цього безліч світловодів збираються в гнучкий джгут, кінці якого спікається в моноліт і піддаються оптичної обробки. Такі джгути використовуються в ендоскопах для медицини. Оптичний світловод в напівпровідникової структурі дозволив багаторазово підвищити потужність напівпровідникових лазерів. Ж. І. Алфьоровим на початку 70-х була запропонована і реалізована така ідея. Для цього активний шар арсеніду галію в обсязі кристала поміщається між двома шарами з меншим показником заломлення. Така структура отримала назву подвійної гетероструктури. В даний час робляться зусилля по створенню волоконних світловодів для більш далекій ІЧ-області спектра. Вивчаються волокна на основі халькогенідних стекол.Q, частково відбиваючись на кордоні розділу, переломлюються в оболонку. Синус кута Q називають числовою апертурою волоконного світловода. Для усунення хвиль, що біжать по оболонці, світловод постачають другий поглинає оболонкою. Вона викликає швидке загасання паразитних хвиль. Повну картину поширення світла по волоконному волноводу дає хвильова теорія, що допускає поширення по ньому лише дискретного набору мод. Кожна мода являє собою коливання, яке характеризується певною просторовою структурою електричного і магнітного полів і відповідної постійної поширення, т. Е. Фазовою швидкістю.
Схожі статті