Системы передачи по волоконно-оптическим линиям связи

В последнее время для передачи медико-биологической информации все шире используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Блок-схема системы передачи с ВОЛС изображена на рис. 5.9. Для генерации световых колебаний используются оптические квантовые генераторы (лазеры) ОГ.

Рис. 5.9.

Принцип генерации световых колебаний можно пояснить энергетической диаграммой, изображенной на рис. 5.10. Энергия, подводимая от внеш него источника к активному веществу лазера, переводит атомы вещества из основного состояния с энергией в возбужденное состояние с энергией W₃ С этого уровня атомы переходят спонтанно на более низкий энергетический уровень W₂. Разность энергии У_Ъ — W₂ расходуется на нагрев активною вещества. С уровня W₂ частицы спонтанно переходят на основной энергетический уровень W_t, при этом происходит излучение световой энергии с частотой /:

где h — постоянная Планка. Для того чтобы излучение было когерентным, активное вещество лазера возбуждается с достаточно высокой интенсивностью. Для высокостабильных лазеров ширина спектра генерируемых оптических колебаний не превышает 10… 100 Гц.

На рис. 5.11 изображена упрощенная схема лазера. Наличие на концах активного вещества отражающего 1 и полупропускающего 3 зеркал позволяет усиливать световое излучение вдоль оси лазера. Частоты или моды генерации определяется из условия резонанса.

где L — расстояние между зеркалами; X — длина волны, генерируемой активным веществом.

Рис. 5.10.

Рис. 5.11.

В зависимости от материала активного вещества различают газовые, полупроводниковые и твердотельные лазеры. Каждому из них присущи определенные преимущества и недостатки. Наилучшим источником непрерывного высококогерентного излучения является газовый лазер, а источником импульсного излучения — полупроводниковый. В биологии и медицине наиболее широко применяются гелий-неоновый (ОКГ-12) и аргоновый (ЛГ-106 м) лазерные генераторы.

Для модуляции светового луча используют различные принципы: изменение мощности накачки (AM сигнал), изменение спектра излучения (ЧМ), изменение поглощения излучения, оптико-механические и электрооптические эффекты.

При AM мощность когерентного излучения на выходе лазера пропорциональна мощности накачки. Модуляция на основе явления поглощения осуществляется путем изменения электрического поля, которое управляет коэффициентом пропускания кристалла. Частоту лазерного излучения в узком диапазоне частот можно изменять путем изменения длины резонатора. Для этого концевые зеркала (см. рис. 5.11) устанавливают на магнитострикционном материале, который изменяет свою длину пропорционально электрическому напряжению.

При оптико-механической модуляции изменяется коэффициент преломления при механической деформации кристалла (эффект фотоупругости) или при пьезоэффекте. Коэффициент преломления может изменяться также при распространении в веществе ультразвуковых колебаний (акустоэлектрический эффект). Наиболее перспективными для связи являются акустооптические модуляторы.

Электрооптическая и магнитооптическая модуляция осуществляются путем изменения коэффициента преломления кристалла или жидкости под действием электрического или магнитною поля. На практике широко применяются электрооптические модуляторы на кристаллах дегидрофосфата калия (КН₂Р0₄), хлористой меди (CuCl), арсенида галлия (GaAs) и др. В электрооптических модуляторах используют обычно линейную или квадратичную зависимость коэффициента преломления кристалла от приложенного электрического поля. Электрооптические модуляторы обладают рядом преимуществ перед модуляторами других видов (возможность реализации любого метода модуляции, простота, высокие электрические характеристики), поэтому они нашли широкое применение в различных оптических системах. Схема электрооптического модулятора изображена на рис. 5.12. Ячейка Поккельса вносит фазовую задержку, пропорциональную приложенному напряжению.

Рис 5.12.

Модулированный световой сигнал поступает на световод (оптический кабель) (рис. 5.13, а). В основе конструкции световодовлежит стекловолокно круглого сечения, состоящее из двух слоев с различными коэффициентами преломления (л, и л₂, л, > л₂). Кроме двухслойных волокон используется градиентное стекловолокно, коэффициент преломления в котором изменяется плавно от центра к краям. Для защиты от механических повреждений и взаимных влияний стекловолокно сверху покрывается полимером и помещается внутрь защитных эластичных трубок.

Рис 5.13.

Внутри трубки обычно размещается 4, 6 или 12 скрученных по спирали оптических волокон (рис. 5.13, б). Скручивание стекловолокна позволяет исключить влияние на него растягивающих усилий. Оптический луч распространяется по световолокну, диаметр которого велик по сравнению с длиной световой волны, по законам геометрической оптики. При прохождении света по волокну лучи испытывают полное внутреннее отражение на границе разделов двух слоев стекла и распространяются только по сердцевине. Внутренний диаметр стекловолокна составляет от нескольких единиц до нескольких десятков микрон, а внешний с/₂ — от нескольких десятков до нескольких сотен микрон. Отношение коэффициентов преломления п_]/п₂ и внутренний диаметр d_A определяют число типов волн (мод), которые могут распространяться по стекловолокну.

Потери энергии в стекловолокне обусловлены в основном поглощением энергии в волокне и рассеиванием ее в окружающем пространстве. Современное световолокно имеет затухание порядка 50% на 1 км длины. Для изготовления световолокна применяют кварцевое стекло, легированное бором, германием, титаном и другими материалами. В медицинских приборах используют оптические кабели из волокна диаметром 15…20 мкм.

Для преобразования модулированного оптического излучения в электрический сигнал на приемном конце применяют фотодетекторы, являющиеся составной частью приемника. Фотодетекторы делятся на два основных класса: фотонные и тепловые. Основное применение нашли детекторы фотонного типа. Принцип действия детекторов этого типа базируется на различных физических эффектах: фотоэмиссионном, фотопроводимости, отоэлектромагнетизме.

Фагоэмиссионный вакуумный детектор и его эквивалентная схема изображены на рис. 5.14. При попадании оптического сигнала на катод 1, покрытый слоем фотоэм иссионного материала, излучается поток электронов, который под действием электрического поля, создаваемого источником ?, попадает на анод 2, вызывая ток в нагрузочном сопротивлении R_H. Для усиления потока электронов в фотоэлектронных детекторах используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ). На рис. 5.15 изображена схема детектора с ФЭУ. Поток электронов, попадая последовательно на систему электродов (динодов) 3, за счет эффекта вторичной эмиссии умножается. В результате на анод 2 попадает усиленный электронный поток. Коэффициент усиления по току десятикаскадного (ФЭУ) составляет порядка 10⁶. Преимущество ФЭУ перед усилителем электрического сигнала заключается в меньшем уровне тепловых шумов. Частотная характеристика детектора с ФЭУ ограничивается вариацией пролетного времени эмитированных электронов и емкостью фотодстсктора. Для расширения частотных характеристик фотодстекторов с ФЭУ используют лампы бегущей волны (ЛБВ).

Рис. 5.14.

Рис. 5.15.

Работы фоторезистивных детекторов базируется на эффекте фотопроводимости. На рис. 5.16 изображена схема фоторезистивного детектора. При попадании на фоторезистор 1 оптического сигнала его сопротивление уменьшается пропорционально интенсивности падающего излучения. В результате под действием приложенного к фоторезистору напряжения в цепи начинает протекать ток, пропорциональный интенсивности оптического излучения. После преобразования оптического сигнала в электрический он обрабатывается и регистрируется.

Рис. 5.16.

Для ослабления фонового излучения, поступающего на вход приемника, перед фотодетектором устанавливают оптические фильтры ОФ. Существуют различные виды ОФ — поглощающие (поглощают энергию определенных участков спектра), рассеивающие (рассеивают на всех частотах, кроме одной, для которой ОФ прозрачен), поляризационные (настроен на плоскость поляризации оптической несущей), интерференционные (обеспечивающие самую узкую полосу пропускания).

Использование волоконно-оптических систем существенным образом расширило возможности исследования живого организма. Так, с помощью волоконных световодов исследуются ранее недоступные органы и внутренние полости организма, создаются новые осветительные системы, волоконно-оптические эндоскопы, лазерные, голографические, телевизионные и другие волоконно-оптические приборы медицинского назначения.