Оптические кабели представляют собой один из компонентов оптической системы передачи. В общем виде схема работы этой системы изложена в этом разделе.
В волоконно-оптической системе передачи источник света с помощью оптического модулятора посылает зашифрованную информацию в линию передачи. Управление оптическим модулятором осуществляется источником сообщения. Световая энергия на выходе линии передачи попадает в оптический приемник и далее к получателю сообщения.
Источником света обычно являются приборы, которые могут быть разделены на три группы: светодиоды (СД), суперлюминесцентные диоды (СЛД) и лазерные диоды (ЛД).
В СД излучение выводится перпендикулярно плоскости передачи. Достоинства СД—низкая стоимость и небольшие рабочие токи; основные недостатки — малая яркость излучения. Некоторые характеристики СД: мощность излучения около 1 мВт; рабочий ток около 10 мА; диаметр излучающей площадки 400 мкм; быстродействие 20 нс.
В СЛД и ЛД излучение вводится параллельно плоскости р-п -перехода. СЛД и ЛД обладают значительно более высокой яркостью, чем СД, но требуют больших токов и более качественных полупроводниковых структур, что поа ~шает их способность.
Из СД можно ввести в волокно с диаметром сердечника 50 мкм только сотые доли процента от излучения мощности. СД могут быть использованы для различного рода вспомогательных целей.
Основным преимуществом СЛД по сравнению с ЛД является более высокая стабильность излучаемой мощности и несколько меньшие рабочие токи. Недостатками являются существенно меньшая мощность, меньший КПД, худшая направленность излучения.
Основные характеристики СЛД: мощность излучения около 1 мВт; рабочий ток 0,1–0,2 А; быстродействие — 10 нс. Размер излучаемой площади в плоскости р –п - перехода определяется шириной мезаполоскового контакта, которая равна приблизительно 15 мкм. В перпендикулярном направлении диаметр площадки составляет около одного микрометра.
|
|
Характеристики ЛД: мощность излучения около 1 мВт; пороговый ток до 30 мА; диаметр излучающей площадки 1 мкм; дифракционная расходимость 60'. Такие лазеры могут быть эффективно согласованы с любыми моноволокнами, включая много- и одномодовые.
Необходимо заметить, что излучатели в оптических линиях связи используются не только для передачи информации, но и в приборах для измерения затухания и определения места обрыва оптического кабеля.
Модуляция сигнала подразумевает наложение сигнала на когерентные несущие колебания с изменением их амплитуды, фазы или частоты.
Наряду с АМ, ФМ и ЧМ возможна также модуляция интенсивности световых волн (МИ), при которой вместо амплитуды в такт и в соответствии с величиной сообщения изменяется квадрат амплитуды, т. е. интенсивность или мощность света. Модуляция по интенсивности особенно важна для световых волн, так как может быть применена к частично когерентному либо вовсе некогерентному свету.
Для передачи непрерывных сообщений применяют аналоговые системы, в которых модуляция сигнала может осуществляться методами АМ, ФМ, ЧМ и МИ.
Для передачи дискретных сообщений применяются дискретные системы. Дискретные системы связи могут быть использованы для передачи непрерывных сообщений. При этом аналоговые сигналы подвергаются квантованию и дискретизации. Квантование по уровню соответствует фиксации дискретных уровней сигнала (по амплитуде). При квантовании по времени (дискретизации) фиксируются дискретные (обычно равноотстоящие) моменты времени, при которых уровни (амплитуды) сигнала могут принимать произвольные значения.
|
|
Наибольшее применение получила импульсно-кодовая модуляция, при которой происходит квантование сигналов совместно и по уровню, и по времени.
В качестве оптических приемников применяют различные типы фотодетекторов.
Для городской оптической системы связи наиболее перспективными с точки зрения применения являются фотодетекторы ближнего инфракрасного диапазона (λ =0,7 — 1,5 мкм), к которым относятся: фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), лавинный полупроводниковый светодиод (ЛФД) и полупроводниковый фотодиод без умножения (ФД). Каждый из этих фотодетекторов обладает рядом достоинств и недостатков.
Фотоэлектронный умножитель имеет малошумящее внутреннее усиление, позволяющее пренебречь шумами нагрузки и видеоусилителя. Большая чувствительность фотокатода существенно облегчает согласование оптического кабеля с ФЭУ и позволяет получить коэффициент ввода излучения в фотодетектор, близкий к 100 %. Однако высокое напряжение питания (2000 В), невысокая квантовая эффективность (0,3 — 0,4 %), сравнительно большие габариты ограничивают их применение в оптических системах связи.
Полупроводниковый фотодиод обладает высокой квантовой эффективностью (80 - 90%), использует источник питания 10 — 30 В с малым потреблением мощности, имеет относительно небольшие размеры фоточувствительной площадки, позволяющие хорошо согласовать ФД с оптическим кабелем. Кроме того, ФД характеризуется малыми размерами, отсутствием избыточных шумов, достаточно большим сроком службы.
|
|
Однако отсутствие внутреннего усиления, низкая чувствительность в широкой полосе частот, необходимость автоматической регулировки усиления, более сложная схема оптимальной обработки сигнала и шума характеризуют недостатки этого изделия.
Лавинный фотодиод характеризуется высокой квантовой эффективностью (70 — 90 %), наличием внутреннего усиления, малыми габаритами, низковольтным источником питания (25 — 100 В), сроком службы до 10000 ч. Тем не менее большой коэффициент шума, очень малые размеры фоточувствительной площадки (диаметр около 50 мкм), затрудняющие эффективное согласование фотодетектора с оптическим кабелем, необходимость жесткой стабилизации источника питания, обязательная термостабилизация фотодетектора при работе в широком диапазоне температур являются недостатками ЛФД.
В качестве среды передачи используются оптические кабели. Они должны надежно работать в самых широких диапазонах температур и давлений, обеспечивая при этом минимальное тепловое рассеивание энергии, минимальное искажение уровня и формы сигнала, передаваемых по ним. Малое относительное удлинение оптического волокна (менее 0,5%), чувствительность к малейшим деформациям приводит к тому, что конструирование оптических кабелей имеет ряд особенностей, несвойственных принципам конструирования обычных кабельных изделий. Ниже будет рассмотрен ряд рекомендаций, позволяющих методологически обосновать подход к конструированию оптических кабелей исходя из требований к его оптическим и механическим характеристикам.
Общая схема конструирования ОК может быть сформулирована [1, 2, 3] следующим образом: определение параметров ОК на основе общих требований к оптической линии связи; расчет механической прочности ОК и выбор конструкции; расчет уровня затухания ОВ, применяемого для изготовления ОК.