Волоконно-оптические линии связи

одновременно рекомбинацию носителей заряда и генерацию света. Кроме того,

путем изменения показателя преломления в области р-n переход? достигается

определенный ход лучей света и в результате этого — уменьшение оптических

потерь.

С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые

позволили получить импульсный режим при комнатной температуре.

Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре

достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт. правда, в предположении

хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины

импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n

переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.

6.3 Проблема вывода световой энергии

Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без

объемного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера, применяются

для конструирования светоизлучающих диодов. При этом индуцируемое в

результате рекомбинации носителей зарядов световое излучение

распространяется во всех направлениях и задерживается в элементе только

вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или из-за неизбежных

контактных поверхностей электродов и поверхностей охлаждения.

В простейшем случае здесь можно использовать и вы водить излучение,

распространяющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются

краевыми излучателями. Если устроить в электроде окно, то можно направить

излучение перпендикулярно плоскости активной зоны и получить поверхностный

излучатель.

Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для

светоизлучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового

отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.

6.4 Срок службы источников света

Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является

срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы

выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее

гарантированное для указанного времени значение даже за счет повышения тока

в диоде.

Если оптический передатчик, например, на узле связи, должен

проработать без замены элементов 10 лет, то для него должен быть

гарантирован срок службы около 100000 ч (считая продолжительность года

равной приблизительно 10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой

срок службы близок к действительному. Хотя для них редко называют

гарантийные сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожалению,

для, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970 г.

в лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в

непрерывном режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов

были разработаны различные структуры и геометрии, приемлемые для

конструирования и изготовления лазеров непрерывного излучения, работающих

при комнатной температуре.

Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только

после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже

сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени

измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких условиях

(как правило, при очень высоких температурах, 50- 70°С). На основании этого

судят об ожидаемом сроке службы в нормальных условиях. При этих

предположениях в конце 70-х годов многими изготовителями предсказывались

ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 ч, а в отдельных случаях — свыше

1 млн. ч. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует

гарантия наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.

Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют

оптимистические прогнозы.

Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться о т привычной в

настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется

для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и

температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую

мощность.

6.5 Лазер или светоизлучающий диод?

В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом.

Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них

лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.

Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов

источников с годами она будет, естественно падать, но все же

светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле лазера

со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь необходимой

для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют

относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда

применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световодами с

относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в

пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно

большую часть излучаемого света.

Типичные параметры полупроводниковых источников света.

|Параметр |Свето- |Краевой |Лазер |

| |излучаю- |излучатель |(полосковая |

| |щий диод типа | |геометрия) |

| |Брусса | | |

|Вводимая в световод мощность,| | | |

| | | | |

|мкВт: | | | |

|сердечник ( 50 мкм; |1-10 |200-100 |500-2000 |

|числовая апертура 0,2 | | | |

|сердечник (200 мкм; |20-200 |100-500 |2000-5000 |

|числовая апертура 0,3 |10-50 |3-10 |0,3-1 |

|Время нарастания импульса, нс|40 |40 |20 |

| | | | |

|Ширина спектра, нс | | | |

Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции.

Светоизлучающие диоды прежде всего «медлительнее» лазеров. В зависимости от

конструкции, имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть

модулированы частотами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые

двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется

лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит

в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя

светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее

время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150

Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде

более высокой выходной мощности (см. табл.).

Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой

полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего

диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства

световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство

излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода

в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой

полосы частот. Это свойство может играть существенную роль, когда речь идет

о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность

световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в

минимальных пределах.

Глава седьмая

СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ

7.1 Необходимость преобразования света в электрический ток

На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию

(передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).

Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с

самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему

передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника,

которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в акустические

или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут

осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы нет. Все

существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе

электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем

управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических

сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет

электрического тока.

На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К

сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде

всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен,

но еще не готов к техническому воплощению.

Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача

преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или

восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах). Этот

восстановленный электрический сигнал вторично используют для управления

лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает усиленный

световой сигнал.

7.2 Фотодиоды используют внутренний фотоэффект

В оптических системах связи, в которых на выходе каждого отдельного

световода должен быть установлен чувствительный фотоприемник, вводятся два

прибора, которые могут быть выполнены методом микроэлектронной технологии.

Речь идет о p-i-n фотодиоде и лавинном фотодиоде. Оба используют внутренний

фотоэффект, который проявляется в этом специальном случае непосредственно в

окрестностях р-n перехода.

Глава восьмая

МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ

Абоненты — это не только мы сами или наши соседи, с которыми мы

хотим общаться дома или на работе. Это все увеличивающееся число машин,

выдающих и принимающих информацию.

В сети связи, только распределяющей информацию (например, радио-

или телевизионной), абонент расположен на большой линии коллективного

пользования, из которой он получает для себя необходимую информацию. В

телефонной сети, которая передает разговоры, каждый абонент имеет до

любого места (в основном до конечной коммутационной станции) свою

собственную линию. Только после этого несколько, а затем множество

сигналов абонентов объединяются в пачку и передаются совместно, чтобы на

конце вновь разъединиться на отдельные линии, которые ведут к желаемым

собеседникам.

Еще в середине 70-х годов существовала уверенность в том, что эта

часть сети, состоящая из отдельных проводников, должна остаться

металлической из экономических соображений. Впоследствии это мнение

изменилось.

Здесь, прежде всего, имеем дело с видом материала. Около 70% меди,

расходуемой на кабели связи, приходится на абонентские сети, хотя

диаметры проводников выбраны настолько малыми, насколько это возможно.

Если бы в будущем отрезки линий, передающих сигналы, выполнялись на

оптических элементах, то можно было бы сэкономить только лишь треть

затрат на медь, а абонентские сети необходимо было бы опять строить в

каждом квартале новостроек.

Дальнейшим важным направлением являются постоянно растущие

информационные потоки в промышленности, хозяйстве, а также в быту.

Радио- и телевизионная связь станут в ближайшем будущем встречаться

в каждом доме, и необходимость устройства абонентских вводов во многих

странах превышает их экономические возможности. Только в учреждения и на

заводы в ближайшие годы придут новые службы, польза и рентабельность

которых сегодня общепризнанны: телекопирование, конторский телетайп,

электронная почта, передача данных в самом широком смысле слова,

телеметрия, телеуправление и мониторное оборудование для различных

технических устройств. Для индивидуальных абонентов техника также

движется вперед. Уже испытываются известные во многих странах мира

способы, с помощью которых абонент сможет выбрать тексты, таблицы,

диаграммы и воспроизвести их на собственном экране.

Абонентские линии, которые мы сегодня прокладываем, должны быть

подготовлены для многих потребностей последующего десятилетия. Нынешнюю

систему электрической связи можно использовать только в качестве речевого

канала с небольшой полосой пропускания. Такая связь пригодна для

конторского телетайпа, а также для передачи данных. Уже при

телекопировании необходимо длительное время копирования — в лучшем случае

свыше одной минуты на каждую страницу формата A4, и каждое повышение

скорости требует увеличения полосы пропускания. До конца 80-х годов —

таков прогноз британского ведомства связи — в Англии до 50 % почты должно

передаваться электронным образом.

Но окончательно необходимо будет отказаться от сегодняшнего

абонентского симметричного кабеля с медными проводниками, если

потребуется хотя бы одноединственное движущееся изображение. Тогда будет

необходим дорогой коаксиальный кабель или световод.

Такой прогноз развития в будущем является основой, которую

учитывают при создании широкополосной связи каждой квартиры, по крайней

мере с близлежащей коммутационной станцией. Как должна выглядеть техника

оптической связи будущего, в частности упомянутая сеть оптической связи,

какие и сколько различных сигналов должно быть в этой многоцелевой

абонентской сети и как они должны будут передаваться, никто еще сегодня

конкретно и окончательно сказать не может. Хотя некоторые рабочие

положения сформулированы. Сообразно с ними телефонная связь (разговор и

вызывной сигнал) должна осуществляться в обоих направлениях, а кроме

того, должен передаваться и телевизионный сигнал. В соответствии с этим

каждый абонент получает отдельную оптическую широкополосную линию, к

которой, прежде всего, подключен его телефон и затем, возможно,

видеотелефон и другие высокоскоростные устройства.

Ряд вопросов при этом останется открытым. Один из них —

энергоснабжение аппарата абонента. Телефон, питаемый сегодня через

сигнальные проводники станционного источника питания, в дальнейшем не будет

иметь электрической связи с коммутационной станцией. Таким образом, он

должен будет получать энергию от местной силовой сети. К этой идее

привыкли. Обычно электрическая передающая техника будущего ставит те же

требования автономного электропитания, правда, по другим причинам. При этом

электрическая развязка (абонентов и коммутационной станции), которая

обусловлена применением световодной техники, окажется целесообразной с

экономической точки зрения.

Оптическая абонентская сеть, широкополосный аппарат абонента в каждой

квартире более не являются утопией.

Приложение 1

Полное отражение

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более

плотную, например, из воздуха в стекло или воду, (1 ( (2 и согласно закону

преломления показатель преломления n > 1.

sin ( / sin ( = (1 / (2 = n

Поэтому ( > ( (рис. ___): преломленный луч приближается к

перпендикуляру к границе раздела сред. Если направить луч света в обратном

направлении – из оптически более плотной среды в оптически менее плотную

вдоль бывшего преломленного луча (рис. ___), то закон преломления запишется

так:

sin ( / sin ( = (2 / (1 = 1 / n

Преломленный луч по выходе из более плотной оптической среды пойдет по

линии бывшего падающего луча, поэтому ( < (, т. е. преломленный луч

отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла ( угол преломления (

растет, оставаясь все время больше угла (. Наконец при некотором угле

падения значение угла преломления приблизится к 90( и преломленный луч

пойдет почти по границе раздела сред (рис. ___). Наибольшему возможному

углу преломления ( = 90( соответствует угол падения (0. Попробуем

сообразить, что произойдет при ( > (0. При падении света на границу двух

сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а

частично отражается от нее. При ( > (0 преломление света невозможно.

Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным

отражением света.

Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для

передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон –

световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической

формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у

волокна, показателем преломления, За счет многократного полного отражения

свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна

набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь

элемент изображения. Жгуты из волокон используются, например, в медицине

для исследования внутренних органов.

Литература

1. Глазер В. Световодная техника. М., Энергоатомиздат, 1985 г.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. М., Наука, 1978, 1985 гг.

СОДЕРЖАНИЕ

| |стр.|

|Глава первая | |

|Свет переносит информацию |1 |

|Глава вторая | |

|От спектра к когерентности |2 |

|2.1 Что такое свет? |2 |

|2.2 Цвет, длина волны, частота – три характерных параметра |2 |

|2.3 Спектры источников света |2 |

|2.4 Естественный свет в опытах по интерференции |2 |

|Глава третья | |

|Техника опережает природу |4 |

|3.1 Как образуется некогерентный свет |4 |

|3.2 Лазер как источник светового излучения |4 |

|3.3 Высокая степень когерентности требует затрат |6 |

|3.4 Полупроводниковый лазер, предназначенный для микроэлектроники |7 |

|Глава четвертая | |

|Утопия и реальность |9 |

|4.1 Фантастические возможности |9 |

|4.2 Модуляция интенсивности излучения |9 |

|4.3 Как передают свет |11 |

|4.4 Распространение света при полном отражении |12 |

|Глава пятая | |

|Световод – посредник между передатчиком и приемником |14 |

|5.1 Ослабление означает потерю световой энергии |14 |

|5.2 Разница во времени пробега ограничивает пропускную способность |15 |

|линии связи | |

|5.3 Пропускная способность волоконных световодов |16 |

|5.4 Оптические кабели, их конструкции и свойства |17 |

|Глава шестая | |

|Источники света – светоизлучающий диод и лазер |19 |

|6.1 Что означает импульсный режим |19 |

|6.2 Тип источника определяет мощность |20 |

|6.3 Проблема вывода световой энергии |20 |

|6.4 Срок службы источников света |21 |

|6.5 Лазер или светоизлучающий диод |21 |

|Глава седьмая | |

|Световой сигнал на приемном конце линии |23 |

|7.1 Необходимость преобразования света в электрический ток |23 |

|7.2 Фотодиоды используют внутренний фотоэффект |23 |

|Глава восьмая | |

|Многоцелевая абонентская сеть |24 |

|Приложение 1 |26 |

|Литература |27 |

Страницы: 1, 2, 3, 4