Файл: Оптические системы передачи (Дмитриев А.Л., 2007).pdf

17

3.Открытые оптические системы связи

Воткрытых оптических системах связи свет распространяется в свободной среде - в атмосфере либо в космическом пространстве. Принципиальная схема таких систем передачи сигналов приведена на рис. 9.

Рис. 9. Открытая оптическая система связи. 1 – источник света, 2 и 3 – объективы, 4 – фотоприемник.

При учете только дифракционных эффектов расходимости света мощность PR излучения, падающего на фотоприемник, описывается уравнением

дальности

где PA - мощность излучателя, τ - коэффициент пропускания среды

распространения, d и D - линейная апертура (диаметр зеркал), соответственно, передающей и приемной оптических систем, R - расстояние, λ - длина волны излучения; численный коэффициент отвечает размерностям указанных величин в системе СИ.

Коэффициент пропускания атмосферы равен

волны излучения, и достигает минимума лишь в нескольких «окнах прозрачности» в окрестностях длин волн 0.4-0.8, 1.5, 2, 3.5, 10.5 мкм. Коэффициент рассеяния αS равен сумме коэффициентов рассеяния Релея αSR

и рассеяния Ми αSM ,

18

Рассеяние Релея есть рассеяние света на частицах, размеры которых намного меньше длины световой волны, и его влияние наиболее заметно в области коротких длин волн,

где A площадь поперечного сечения частиц-рассеивателей, N - плотность рассеивателей.

Эмпирическая формула для коэффициента рассеяния Ми (рассеяния на частицах размерами намного большими, чем λ ) имеет вид

где γ - метеорологическая дальность видения, в км. Например, при γ = 5км ,

λ =1мкм, αSM = 0.43км, τ = 0.65 .

Очевидно, на дальность (и надежность) открытых систем связи в атмосфере заметно влияют метеорологические условия: туман, дождь, снег, дым, турбулентность атмосферы и др. Для больших расстояний R (километры и более), вследствие явлений рефракции и рассеяния, осложняется проблема точного наведения светового луча на фотоприемную систему, а также влияния фона (рассеянное излучения, небесные светила). Современные наземные открытые системы связи большой, свыше 10 км, протяженности действуют, в основном, в диапазоне длин волн около 10,6 мкм в режиме когерентного фотодетектирования сигнала. Более перспективно, с точки зрения дальности связи, применение таких систем в космосе. В городских условиях, при дальности связи около 1 км, удобный диапазон длин волн волн передачи сигналов находится в области 0.8 – 0.9 мкм.

19

4.Волноводные оптические системы передачи сигналов (предшественники ВОСП)

Исторически первая оптическая волноводная система передачи информации (Губо и Шверинг, 1961 г.) была выполнена на основе конфокального линзового волновода, схема которого приведена на рис. 10.

Рис. 10. Ход лучей света в конфокальном линзовом волноводе

Линзовый волновод (ЛВ) представляет собой набор положительных линз, последовательно расположенных на двойном фокусном расстоянии (практически - величиной около 1 метра). Назначение линз – компенсировать дифракционную расходимость оптического излучения в волноводе. Основные недостатки ЛВ – необходимость точной (с точностью около 20 мкм) установки расстояний между линзами, сравнительно большие (примерно 100 дБ/км) оптические потери ЛВ и дороговизна. Тем не менее, скорость передачи сигналов в таком линзовом волноводе приближалась с скоростям передачи радиорелейных линий связи.

В газо-линзовом волноводе (рис. 11) (Барреман, 1964 г.), благодаря высокой температуре стенок волновода, распределение температуры (и плотности) газа в сечении волновода неоднородно и в центре волновода показатель преломления газа выше, чем у стенок газовой трубы.

Рис. 11. Устройство газо-линзового волновода

20

Вследствие рефракции, световые лучи концентрируются вблизи оси волновода. Для поддержания рабочего режима такого волновода энергозатраты на нагревание стенок достаточно велики и поэтому газолинзовые световоды не нашли широкого применения.

Аналогом СВЧ-волноводов являются трубчатые оптические волноводы (лучеводы). Такие волноводы представляют собой пустотелые трубки из стекол либо металлов с зеркальным покрытием внутренней поверхности, с диаметром отверстий порядка мм. Лучеводы не нашли практического применения в оптической связи и сегодня частично используются в лазерной технологии для канализации мощных потоков оптического излучения.

21

5.Распространение излучения в волоконных световодах

5.1. Классификация волоконных световодов

Простой волоконный световод (ВС) представляет собой структуру из двух коаксиальных цилиндров – сердцевину с показателем преломления n1 и

оболочку с показателем преломления n2 , обычно заключенную в защитную

оболочку из полимерного материала. Важной характеристикой ВС является профиль показателя преломления – радиальная зависимость показателя преломления такой структуры. Примеры таких профилей показаны на рис. 12.

Рис. 12 . Профиль показателя преломления ВС. а – многомодового, б – одномодового, в – градиентного.

Диаметр оболочки ВС обычно равен 125 мкм (иногда 30, 200, 400 мкм) , радиус a сердцевины многомодовых ВС равен 25-100 мкм, одномодовых – 3- 6 мкм.

Ход светового луча в меридиональной (содержащей оптическую ось) плоскости ВС показан на Рис. 13.