Оптоэлектронные приборы и световоды

Оптоэлектронные информационные системы реализуют на базе типовых функциональных блоков. Типичная структура оптоэлектронной системы содержит источник излучения (ИИ) и модулятор (М) светового сигнала, управляемый электрическим информационным сигналом и, оптический канал связи (ОКС), фотоприемник (ФП) и электронную систему обработки информации (ЭСОИ), преобразующую в соответствии с заданным алгоритмом электрические сигналы (рис. 20.7).

Приведенная конфигурация при различных наборах элементов позволяет разработать и анализировать множество оитоэлектрон;

Рис. 20.7. Структура типичной оптоэлектронной системы.

ных систем. Например, распространенным конструктивно завершенным элементом является оптоэлектронная пара, содержащая излучатель, среду распространения (световод) и фотоприемник, размещенные в герметичном светонепроницаемом корпусе (рис. 20.8, а).

Статическими проходными параметрами оптоэлектронной пары (оптрона) служат коэффициент передачи тока (к, ~ 0,01) и сопротивление изоляции (R_m ~ 10⁹ Ом). Основным динамическим параметром оптрона служит время его переключения t_n = Г_вкл + Г_выкл, составляющее от 0,1 до 10 мкс. В динамическом режиме следует учитывать емкостную связь (С_п ~ 1-И0 пФ) между входными и выходными зажимами (рис. 20.8, б). Входные и выходные параметры оптрона зависят соответственно от характеристик светодиода и фотодегектора. В оптронах применяют также фоторезисторы, фототранзисторы и более сложные электронные модули.

Основным назначением оптронов является обеспечение оптической связи между устройствами при отсутствии непосредственного электрического контакта, г. с. организация гальванической развязки. Разработаны и применяются оптроны с модуляцией луча, используемые в средствах контроля и управления.

Свойства и параметры волоконно-оптических систем существенно зависят от применяемых оптических каналов связи, в качестве которых используют как открытое пространство, так и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Оптический канал связи наряду с средой распространения светового луча содержит устройства ввода и вывода сигналов (антенны при передаче в свободном пространстве и призмы для ВОЛС). Основой ВОЛС служит планарно-оптический волновод или гибкий волоконно-оптический кабель (ВОК).

Оптический волновод представляет собой помещенную на подложку с показателем преломления Щ)тонкую пленку (Д ~ 1 мкм).

Рис. 20.8. Структура (а) и схема (б) диодной оптопары с высоким показателем преломления щ, которая покрыта защитным слоем с показателем преломления п₂ (рис. 20.9, а).

При выполнении условия щ > я₀ > п₂ наблюдаются практически полное отражение светового луча от границ раздела и распространение вдоль волновода. Ввод луча можно осуществить с помощью призмы (рис. 20.9, б).

В качестве световодов в ВОК используют цилиндрические волокна чистого кварца, а также органического или неорганического стекла. Волоконно-оптический кабель имеет стеклянную сердцевину, окруженную оболочкой, которая помещена в защитный слой (рис. 20.10, а).

Показатель преломления в сердцевине больше, чем в оболочке (п > п₂), что создает полное внутреннее отражение светового луча (рис. 20.10, б), входящего иод определенным углом в световод (луч 1). Соотношение показателей преломления защитного слоя и оболочки п₂ > По, и при больших углах ввода светового луча происходит его отражение от границы оболочки и защищенного слоя (луч 2) и возможен выход луча из световода (луч 3), т. е. излучение энергии в окружающее пространство. Подбор показателей преломления областей должен также обеспечить распространение лучей при заданном изгибе волокна (рис. 20.10, в).

Характеристики волоконных световодов зависят от их геометрии и свойств материалов. Паспортным параметром ВОК служит погонное затухание, т. е. отношение мощностей на выходе и входе кабеля длиной /:

Рис. 20.10. Волоконно-оптический кабель (а), распространение лучей в прямом кабеле (б) и при изгибе (в).

Рис. 20.9. Оптический волновод (я) и ввод в него луча (б).

Развитие технологии дало возможность производить высококачественные волокна с затуханием от 0,5 до 5 дБ/км. Кроме того, световоды вносят запаздывание сигнала, ориентировочное значение которого составляет 0,1 нс/м. Наличие запаздывания и неравномерности частотной характеристики волокна приводят и изменению не только амплитуды, но и формы импульса (типичное значение уширения прямоугольного импульса составляет 50 нс/км). Дисперсионное расширение передаваемого импульса ограничивает скорость передачи цифровых данных последовательным двоичным кодом. Для предотвращения перекрытия импульсов длительностью At необходимо обеспечить условие расширения импульса не более чем на т = АГ/2. При этом максимальная скорость передачи информации, определяемая соотношением В = ½АГ, в линии длиной / при погонной величине уширения т/ составит В < 1/(/т/). Например, при т/ = 50 нс/км для линии / = 0,5 км имеем В < 10' бит/с, или 10 Мбит/с. Для аналоговых сигналов удобнее пользоваться частотной характеристикой линии передачи заданной длины. Необходимую полосу пропускания линии связи с ослаблением в 3 дБ можно оценить по формуле F_max «0,4/т, которая для рассматриваемой линии дает F_max «8 МГц.