В середине 50-х годов сформировалась новая область науки и техники – волоконная оптика, а к концу этого десятилетия появились образцы первых приборов, использующее двухслойное волокно.
Нервоначально возможности волоконной оптики ограничивались тем, что поглощение света в волоконных световодах было чрезвычайно большим. Несмотря на все усилия технологов, через метровый отрезок световода проходило не белее 50% введенного в него света. В большинстве случаев потери были еще больше.
Однако и при таком качестве удалось создать приборы, позволившие пропускать свет через изогнутые каналы, наблюдать внутреннюю поверхность металлических полостей изучать состояние желудка и других органов человеческого тела. Были разработаны и оригинальные оптические приборы, предназначенные для преобразования оптических изображений, т.е. волоконно-оптические элементы, которые нашли особое применение в электронных приборах.
На базе этих волокон световодный кабель был пригодный для практического применения. Далее рассмотрим, на какие подразделения делится световодная связь:
Для передачи информации не выгодно пользоваться волнами, излучаемыми в свободном пространстве. Ведь энергия, проходящая на 1 см в квадрате фронта такой волны, убывает обратно пропорционально увеличению площади фронта волны по мере ее удаления от источника. Для сферических волн в свободном пространстве ослабление пропорционально квадрату расстояния от источника волны до приемника.
В электрических системах связи с самого начала (телефон, телеграф). Лишь в самом грубом приближении можно говорить о том, что
переносчиком сигналов в них является электрический ток, распространяющийся по телефонным и телеграфным проводам. В действительности всякий переменный ток сопровождается переменным электромагнитным полем, заполняющим пространство, в окружающем проводе. В случае двухпроводной линии основная часть энергии, заключенной в электромагнитном поле, сосредоточена в пространстве между проводниками и в непосредственной близости от них. Однако и на значительных расстояниях это поле не равно нулю, что приводит к перекрестным помехам, когда две или более телефонных линий расположены на не достаточно большом расстоянии одна вдоль другой.
Каналы этого типа называются открытыми, поле направляемых ими волн простирается вплоть до бесконечности.
Двухпроводные линии широко применяются также для связи радиопередатчиков с антеннами.
Теория предсказала, а эксперимент подтвердил, что для связи не обязательно применять несколько проводов, а достаточно иметь один металлический провод. Нужно лишь возбудить вдоль него волну особой структуры - поверхностную волну, - способную распространяться вне посредственной близости одиночного провода, не захватывая удаленные части пространства. Поэтому идеальный прямой провод в свободном пространстве был бы хорошей канализирующей системой. Однако поверхностная волна бежит не внутри идеального проводника, а в окружающем его пространстве. Наибольшее распространение получили коаксиальные кабели и полые металлические волноводы [1] .
Коаксиальный кабель состоит из металлической проволоки – жилы, расположенной вдоль оси цилиндрического металлического экрана. В большинстве случаев экран представляет собой гибкий «чулок», сплетенных из тонких медных проводов, однако применяются и тонкостенные трубки. Между жилой и экраном располагается диэлектрик, сплошь заполняющей пространство внутри экрана или имеющую форму специальных шайб.
Потери энергии в коаксиальных кабелях обусловлены главным образом поглощение в диэлектрические и в материале жилы и оболочки кабеля. В коаксиальном кабеле могут появляться (распространяться) электромагнитные волны с любой длиной волны.
Для передачи волн сантиметрового диапазона были созданы закрытые каналы другой типа, не содержащего центрального проводник. Эти каналы получили наименования волноводов сверхвысоких частот, или просто волноводов. Наиболее распространены волноводы прямоугольного сечения. Отсутствие в волноводах центрального проводника делает невозможным распространение в них длинных волн. Самая длинная из волн, способных распространяться в данном случае волновод, называется критической. Длин критической волны вдвое больше размера широкой стенки прямоугольного волновода.
Сложный характер структуры волноводные волны результат наложения простых поперечных волн. Так, наиболее простую волну в прямоугольном волноводе, можно представить как состоящую из двух плоских волн, бегущих под углом ß между направлением распространения каждой из этих волн. Бегущая волна под углом к оси волновода связан с длинной волны в свободном пространстве: синус этого угла равен соотношению 9 к удвоенному размеру широкой стенки волновода: sin ß =9/2а.
Диэлектрические волноводы представляют собой тонкие нити с различной формой сечения, изготовленные из диэлектриков, обладающих малыми потерями. Диэлектрические волноводы являются открытыми, потому что возбужденные в них электромагнитные волны не ограничены внутренним сечением волновода. Собственные волны в идеальных канализирующих системах независимы и не связанны между собой. Это значит что можно возбудить одну или несколько собственных волн, не возбуждая других. Однако в реальных канализирующих системах возможны различные отклонения: нарушение геометрических размеров, изменение свойств материалов, из которых изготовлена система.
Процесс преобразования собственных волн приводит в диэлектрических волноводах к потерям энергии канализируемых волн. Эти потери происходят вследствие того, что при преобразовании канализируемых волн вытекающая часть энергии канализируемых волн излучается во внешнее пространство и более не возвращается в волновод. В этом состоит принципиальное отличие открытых канализирующих систем от закрытых, например, от полых металлических волноводов.
В простейшем волоконном световоде, представляющем тонкую нить из прозрачного диэлектрика, могут быть возбуждены световые волны двух типов: канализирующие и вытекающие.
Канализирующие волны можно представить лучами, идущими под малыми углами к оси световода и испытывающими полное внутреннее отражение от его поверхности. Если волна падает на границу световода круче чем угол полного внутреннего отражения, то она делится на две части – отражающую и преломленную, причем отраженная волна возвращается внутрь световода, а преломленная безвозвратно уходит в окружающее пространство, унося с собой определенную долю энергии или сигналов вдоль светеводов на большие расстояния.
Главная часть потерь в волоконных световодах простейшего типа, имевших вид однородных тонких нитей, была обусловлена именно рассеяньем света на поверхности световода. Поверхностное рассеянье вызвалось деградацией поверхности под влиянием окружающей среды. Значительное рассеянье и поглощение были обусловлены пылинками, нарушающими однородность границ диэлектрика.
Существенные дополнительные потери возникают и в местах контакта поверхности диэлектрика с опорами, поддерживающими незащищенный световод [2].
Все многообразие лучей, имеющих жилу диаметром порядка 0,1мм, могут распространяться более десяти тысяч канализируемых собственных волн. Количество канализируемых волн может быть подсчитано по простой формуле.
Μ=2(παθ)2∕λ (1)
где α - радиус жилы,
θ -небольшой угол между лучом, захватываемый в световоде, и осью световода,
λ -длина волны канализируемого света.
Угол полного внутреннего отражения на границе жилы и оболочки определяются скачком показателя преломления между жилой и оболочкой. Обычно световод характеризует числовое апертурой имеющей значение: n1 и n2- показатель преломления материала жилы и оболочки соответственно.
Числовая апертура является одной из важнейших характеристик волоконного световода, определяет искажение передаваемых сигналов.
Элементы световодных систем передачи информации разработаны и изготовлены из нескольких типов световодных кабелей. В большинстве из них световедущими каналом является не одиночный световод, а жгут из нескольких, обычно из 7 или 19, световодов. Количество световодов в жгуте определяется как геометрическими соображениями плотной упаковки, так и особенностями источников излучения, с которыми должен быть согласован световодный кабель, поскольку увеличение сечения жгута уменьшает потери света при согласовании.
Наиболее сложными являются световодные кабели для магистральных линий связи и связи между автоматическими телефонными станциями. Магистральные кабели должны укладываться в грунт, а иногда и на дно рек и морей. Поэтому к ним предъявляются повышенные требования в отношении механических нагрузок и гидроизоляции. Если кабели предназначены для протягивания через существующие подземные коллекторы, то они должны выдержать большие растягивающие усилия. Такие кабели обычно содержат, кроме световодных жгутов, специальные армирующие элементы, воспринимающие механические нагрузки.
В качестве излучения в волоконно-оптических линиях связи применяются главным образом светодиоды, гетеролазеры и цверхлюминесцентные диоды. Обычно они работают в диапазоне 0,8- 0,9мкм, а в некоторых случаях и в диапазоне 1-1,1мкм, в которых расположен минимум потерь имеющихся световодов.
Светодиоды являются не когерентными ненаправленными источниками. Это значит, что их излучение заполняют полусферу, причем угловое распределение интенсивности подчиняется косинусоидальному закону. Диаметр излучающей площади обычно составляет 0,3-0,5 мм.
В волоконно-оптических системах передачи импульсных сигналов регенератор включает фотоприемник с усилителем, решающее устройство,отделяющие импульсы сигналов от шумов, регенератор стандартных импульсов и источник излучения с модулятором. В цифровых системах модуляции дальность действия системы принципиально неограниченна.
Допустимое расстояние между регенераторами определяются кроме потерь световодного кабеля и характеристик источников сигнала и фотоприемников, вероятностью появления ложного импульса на выходе регенератора, зависящего от данного соотношения сигнала к шуму на его входе.
Волоконно-оптические линии делают реальными и рентабельными кабельные системы телевидения, при которых волоконный световодный кабель, доведенный до каждого абонента, даст ему не только возможность использования наиболее высококачественного многопрограммного телевидения, но и позволит перестроить заново информационную службу, соединив абонента с крупными библиотеками, редакциями газет, вычислительными центрами, которые будут выдавать на экран того же телевизора, на магнитофон или печатающее устройство, все сведенья, которые необходимы абоненту. Различные системы передачи информации это:
- радиорелейные линии,
- космическая связь,
- использующие ретрансляторы и установленные на искусственных спутниках Земли,
- радиорелейная микроволновая линия.
Таким образом: улучшения качества, связанные с увеличением объема информации передаваемой дискретной величине, достигаются в дискретных системах при заданном быстродействии за счет увеличения передаваемой полосы частоты.
В заключение: следует коротко рассмотреть преимущества и недостатки оптических линий, применяющих свободное распространение света в атмосфере. Следовательно, они обладают большой широкополосностью, а сами оптические системы обеспечивают хорошую направленность при разумных объективах.
ВЫВОД: Теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов послужили основой создания волноводов оптического диапазона – волоконных световодов, так как волоконный световод является открытым диэлектрическим волноводом оптического диапазона.
Литература
- Трофимова Т.И. «Курс физики», М., Просвещение, С.208-210
- Жаботинский М.Е. «Знание». Новое в жизни, науки и технике М., Просвещение, С.3-62.