принципа работы систем с частотным уплотнением и наличие испытательной аппаратуры обеспечивают основу обслуживания современных систем связи.

Глава десятая ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ X. Киллен

10.1. ВВЕДЕНИЕ

В электросвязи все более широкое применение находят оптические системы с использованием одномодовых или многомодовых волоконных волноводов. Волоконная оптика строится из волокон силикатного стекла или других подобных материалов с диаметром от 10 до 400 мкм с покрытием, имеющим несколько меньшую диэлектрическую постоянную. Такой кабель имеет исключительно малые потери: для волокна с высоким содержанием кварца потери составляют всего 0,5 дБ/км. Волокна не обладают индуктивностью, поэтому они не подвержены действию электромагнитных помех.

По характеристикам и функциям в волоконно-оптической системе связи можно выделить три основные категории устройств:

1)источник света и связанную с ним схему возбуждения;

2)оптическое волокно и механическую конструкцию кабеля;

3)фотодетектор и приемную схему.

Для обслуживания и ремонта волоконно-оптических линий связи необходимо иметь четкое представление обо всех этих компонентах.

Ограничения, накладываемые на характеристики волоконно-оптических систем, в частности на расстояние между повторителями, определяются двумя параметрами: шириной полосы (дисперсией) и мощностью оптического излучения. Поскольку каждый повторитель требует, чтобы фотодетектор и передатчик были расположены в непосредственной близости друг от друга и противоположно направлены, размещение повторителей на линии является критической характеристикой волоконно-оптической системы. Дисперсия и затухание определяются структурой волокна. Неисправности в соединителях или поврежденные волокна могут привести к тому, что на повторители будет поступать недостаточная мощность. Следует учитывать и другие факторы, такие как частоту модуляции, оптическую яркость, чувствительность детектора, время нарастания сигнала, коэффициент шума и др.

Ожидаемая дисперсия изменяется в зависимости от типа волокна. В следующем параграфе описываются обычно применяемые типы волокон.

10.2. ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Существуют три основных типа волокон: многомодовые со ступенчатым изменением показателя преломления, многомодовые с плавным изменением показателя преломления и одномодовые. Имеет смысл кратко рассмотреть характеристики каждого типа. Свет представляет собой электромагнитную волну. Распространение света по волокну требует, чтобы соединитель и волокно были правильно состыкованы. Показатель преломления волокна зависит от расстояния по радиусу от центра волокна. Для стекла и пластмассы показатель преломления равен

п = - ,(10.1)

где с - скорость света в вакууме (3-108 м/с); v - скорость света в волокне,

10.2.1. ВОЛОКНА СО СТУПЕНЧАТЫМ ИЗМЕНЕНИЕМ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

На рис. 10.1 показано изменение показателя преломления таких волокон в зависимости от расстояния по радиусу от центра волокна. При радиусе Rc показатель преломления резко меняет величину. Поперечное сечение волокна делится на две области: круглую сердцевину и окружающую ее кольцевую оболочку. Внутри волокна оптическая энергия распространяется за счет полного внутреннего отражения на поверхности раздела сердцевина - оболочка. Показатель преломления сердцевины выше, чем оболочки. В принципе оболочкой мог бы служить и воздух, имеющий показатель 1,0. Однако оболочка служит еще для фиксации сердцевины. Типичные значения показателей преломления составляют «1=1,48 и «2=1,46.

Полоса пропускания волокна зависит от характеристик распространения. Строгий анализ распространения оптического излучения включает решение уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями. Этот анализ показывает, что распространяющаяся энергия распределена между дискретными количествами наложенных друг на друга составляющих поля, называемых модами. Различия в характеристиках распространения этих мод обусловливают дисперсию мод, которая является одним из факторов, ограничивающих полосу пропускания. Для иллюстрации причин возникновения дисперсии мод часто используют рассмотрение геометрии лучей (рис. 10.2).

По закону Снелла минимальный угол, при котором происходит полное внутреннее отражение, находят из гыражения

sin 9МИн = ~ "

емин = 80,6°.(10.2)

Лучи, которые падают на поверхность раздела сердцевина - оболочка под углом, меньшим 80,6°, теряются в оболочке. На рис, 10.2 полная длина пути луча, падающего под таким углом, составляет 1014 м. Если

Показатель преломления \гг,

Рис. 10.1. Профиль изменения показателя преломления для волокон со ступенчатым его изменением (а). Резкое понижение показателя преломления на границе между сердцевиной и оболочкой, (б) Поперечное сеченне волокна. Центральная часть-сердцевина с показателем преломления «1 и окружающая ее оболочка с показателем преломления я2

Рис. 10.2. Отражение обратно в сердцевину происходит каждый раз при попадании луча на поверхность раздела сердцевина - оболочка; неосевые лучи света проходят зигзагообразный путь

сравнить ее с расстоянием, которое проходит луч, распространяющийся вдоль центральной оси волокна, получится разница в 14 м. Скорость распространения задана выражением

с ЗЛО8

« =-= --= 2,03-10» м/с.(10.3)

«1 1148v

Если оба луча поступают в волокно одновременно, многократно отражающийся луч достигнет противоположного конца на 69 не позднее осевого луча. Разность времен прохождения лучами определенного отрезка создает размытие бит или межсимвольную интерференцию в системах