Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 40 из 102)
Отличительными особенностями ВОЛС по сравнению с др. линиями электрической связи являются: большая скорость передачи информации (107– 109 бит/с на расстояние свыше 10км без ретрансляторов); возможность передачи информации на большие расстояния без использования ретрансляторов, обусловленная малыми потерями (затухание сигнала <1 дБ/км в ближней ИК области); широкополосность модуляции как на одной, так и на многих несущих волнах; высокая устойчивость к электромагнитным помехам; гибкость волокон, их малые размеры и масса; стойкость к агрессивным средам; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; простота монтажа и прокладки; низкая себестоимость.
Разработка эффективных волоконно-оптических элементов и технологии изготовления волоконно-оптических кабелей большой протяжѐнности, широкополосных высокочувствительных приѐмных устройств, долговечных (>104 ч) источников излучения (лазерных диодов, светодиодов) обеспечивает ВОЛС высокую конкурентоспособность с системами связи, использующими кабельные и релейные линии. Благодаря информативным возможностям и низкой стоимости на единицу информации ВОЛС используется в комплексах ЭВМ (внутренние и внешние линии связи), в кабельном телевидении (соединительные линии, центры распределения, замкнутые цепи), на борту космических аппаратов, самолѐтов, кораблей, в медицине (диагностике, хирургии), в промышленной автоматике и др.
Волоконно-оптические элементы, оптоэлектронные элементы на основе волоконных световодов. Различают гибкие и жѐсткие волоконно-оптические элементы. Наибольшее распространение получили волоконно-оптические жгуты, представляющие собой пучки световодов, склеенные или спечѐнные у концов (гибкие волоконно-оптические элементы), либо по всей длине (жѐсткие волоконно-оптические элементы), защищѐнные непрозрачной 187 оболочкой и имеющие торцы с отполированной поверхностью.
Среди волоконно-оптических жгутов выделяют: нерегулярные жгуты (для передачи энергии излучения); жгуты с регулярной укладкой световодов по торцам (для передачи изображений); жгуты с различной формой входной и выходной поверхностей торцов (для преобразования изображений); волоконно-оптические ответвители и коллекторы, представляющие собой жгуты с одной входной (выходной) и несколькими выходными (входными) торцевыми поверхностями (для разделения или объединения оптических сигналов и изображений); фоконы, представляющие собой жгуты с переменным по длине сечением (для изменения масштаба передаваемого изображения). К волоконно-оптическим элементам также относятся волоконно-оптические кабели, селфоки и волоконно-оптические пластины.
г)
Рисунок 1.16.2. Волоконно-оптический датчик. Схемы волоконнооптических датчиков: а – поляризационного датчика давления, акустических и гидроакустических колебаний, линейных ускорений; б – фазового датчика давления, температуры, тока, акустических и гидроакустических колебаний; в – амплитудного датчика давления, акустических и гидроакустических колебаний; г – датчика угловой скорости вращения; 1 – волоконный оптический интерферометр; 2 – источник оптического излучения; 3 – линза; 4 – светоделительная пластина; 5 – волоконный световод; 6 – поляризатор оптического излучения; 7 – оптический чувствительный элемент; 8 – мембрана; 9 – анализатор оптического излучения; 10 – приѐмник оптического излучения; 11 – корпус; 12 – волоконный световод (измерительное плечѐ интерферометра); 13 – оптический ответвитель; 14 – оптический смеситель. (Стрелками указан направление контролируемого внешнего воздействия).
Волоконно-оптические пластины представляют собой достаточно тонкие поперечные срезы жѐсткого жгута. Такие пластины используются для переноса и (или) коррекции изображений.
Для изготовления волоконно-оптических элементов используют двухслойные волоконные световоды с диаметром световедущих жил ~ 5–75 мкм и числовой апертурой ~ 0,5. Качество изображения, переданного по волоконно-оптическим элементам, определяется диаметром световедущих жил (≤5–10 мкм). Разрешающая способность волоконно-оптических элементов обычно составляет ~ 10–50 лин/мм, в некоторых жѐстких волоконно-оптических элементах до 100 лин/мм.
189
Волоконно-оптический датчик, измерительный преобразователь, в котором в качестве чувствительного элемента используется волоконный световод. К волоконно-оптическим часто относят также датчики, в которых в качестве чувствительного элемента используется либо оптический элемент (например, дифракционная решѐтка, шторка, зеркало, призма), либо элемент на основе жидких кристаллов, а канализация оптического излучения осуществляется с помощью волоконных световодов. Принцип действия волоконно-оптических датчиков основан на изменении условий прохождения оптического излучения через чувствительный элемент при воздействии на него контролируемого параметра. В зависимости от изменяющейся характеристики оптического излучения волоконно-оптические датчики разделяют на поляризационные, фазовые и амплитудные. По измеряемым физическим величинам различают волоконно-оптические датчики угловой скорости вращения, линейных ускорений, акустических и гидроакустических колебаний, температуры, давления и др. Действующие волоконно-оптические датчики линейных ускорений, акустических и гидроакустических колебаний, температуры, тока и др. физических величин основано: на изменении условий полного внутреннего отражения в чувствительном элементе (, характера поляризации оптического излучения вследствие возникновения наведѐнного двойного лучепреломления в чувствительном элементе (рис.1.16.2, а), фазы оптического излучения из-за увеличения (или уменьшения) длины участка волоконного световода (рис.1.16.2, б), условий согласования по мощности оптического излучения двух отрезков волоконного световода (рис. 1.16.2, в), на увеличение потерь в волоконном световоде вследствие возникновения в нѐм микроизгибов. Одним из перспективных является волоконно-оптический датчик угловой скорости вращения, в котором в качестве чувствительного элемента используется кольцевой интерферометр (рис. 1.16.2, г).
Волоконно-оптический кабель, один или несколько волоконных световодов с упрочняющими элементами, заключѐнные в защитную оболочку. Предназначен для передачи (канализации) оптического излучения. Волоконно-оптический кабель разделяют по числу волоконных световодов (одножильные и многожильные, рис. 1.16.3), а также по типу используемых волоконных световодов (одномодовые и многомодовые, ступенчатые и градиентные, толстые и тонкие). По функциональному назначению разделяют волоконно-оптические кабели для передачи энергии оптического излучения (осветительные, длиной несколько метров), изображений (длиной до сотен метров) и информационных сигналов (волоконно-оптический кабель связи, длиной до нескольких сотен километров). В середине 80-х годов наибольшее распространение получили волоконно-оптические кабели для передачи информационных сигналов. В волоконно-оптических кабелях для трансконтинентальных и междугородных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) используются одномодовые или градиентные волоконные световоды, с потерями в несколько десятых дБ/км, что обеспечивает в таких линиях связи передачу информационных сигналов без ретрансляторов на расстояния на до сотен км. Для создания городских и объектовых ВОЛС используются многожильные волоконно-оптические кабели, в которых многомодовые волоконные световоды обладают потерями от 1 до 20 дБ/км. В монтажных волоконно-оптических кабелях (длиной до 10 м), предназначенных для соединения аппаратуры связи, обработки информации и др., используются многомодовые ступенчатые волоконные световоды с потерями ~ 10 дБ/км. Конструкция волоконно-оптического кабеля, а также выбор материала для упрочняющих элементов зависят от условий эксплуатации кабеля. В качестве упрочняющих элементов волоконно-оптических кабелей используются стальные, стекловолоконные и полимерные (в основном из кевлара или нейлона) жилы, а также различные ленты, нити либо наполнители в виде желе или пены, предохраняющие световедущие жилы волоконных световодов от микроизгибов и истирания. Упрочняющие элементы в виде жил располагаются в центральной или (и) периферийной части волоконнооптического кабеля (рис. 1.16.3). Защитная оболочка волоконно-оптического кабеля изготовляется либо из полимера (например, фторопласта, поливинилхлорида, полиэтилена), либо из металла (например, алюминия).
К основным достоинствам волоконно-оптического кабеля связи (по сравнению с электрическим кабелем) относятся высокая скорость передачи информации (от 1 до 10 Гбит/с на расстоянии 1 км), малые потери (затухание сигнала при длинах волн 0,85, 1,3 и 1,55 мкм составляет соответственно 2–3, 0,5–1 и 0,3–0,5 дБ/км), высокая помехозащищѐнность, а также малые габаритные размеры и масса. Основным недостатком волоконно-оптического кабеля является увеличение потерь при воздействии ионизирующих излучений вследствие увеличения поглощения оптического излучения световедущей жилой волоконных световодов.