Волоконная оптика. 
Средства автоматизации и управления

В настоящее время в технике связи взамен традиционных кабелей, волноводов и радиоканалов во все большем масштабе начинают применяться волоконно-оптические световоды. В качестве источников света чаще всего используют светодиоды и полупроводниковые лазеры, а в качестве приемников — полупроводниковые фотодиоды. По сравнению с обычными медными кабелями световоды имеют значительно меньшие размеры и вес. Они нечувствительны к индустриальным и другим помехам от электрических и магнитных полей, которые создаются различного рода электрическими машинами и аппаратами. Такие коммуникации характеризуются значительно более широкой полосой пропускания и меньшим поглощением. Оптические волокна изготавливают из доступного и сравнительно дешевого материала, например из кварца. Следует отметить, что вследствие того, что от волоконно-оптического кабеля трудно сделать ответвление, линии связи на таких.

Рис. 5.10. Распространение светового излучения в оптическом волокне.

каналах обладают повышенной закрытостью и используются в ответственных системах передачи информации.

В основе передачи светового сигнала по оптическому волокну лежит явление полного внутреннего отражения, которое иллюстрирует рис. 5.10.

Если свет пересекает границу двух сред, имеющих разные показатели преломления л, и л₂, т. е. из среды с показателем преломления п₂ он поступает в среду с показателем преломления л" то при определенном угле падения <�р, пучок света полностью отражается в ту среду, из которой он пришел. При этом должны выполняться следующие условия:

Минимальный угол, при котором происходит полное внутреннее отражение, равен:

Это явление используют в волоконных световодах. Световод выполняется в виде сердцевины, покрытой оболочкой, причем показатель преломления у материала оболочки выше, чем у сердцевины. При полном внутреннем отражении коэффициент отражения превышает 99,7%. Для сравнения заметим, что коэффициент отражения у посеребренного зеркала составляет примерно 80%.

Для передачи световых сигналов в основном используют излучение с длиной волн 850 и 1300 нм. Более длинные волны обеспечивают меньшие потери и более широкую полосу пропускания, но источники и приемники сигналов на этих волнах более дороги и сложны в изготовлении.

Волоконные кабели могут быть однои многожильными, а диаметры волокон обычно составляют 50, 100, 200 и 300 мкм.

Если световой сигнал состоит из волн разной длины, то это приводит к искажению сигнала, поскольку волны разной длины проходят различный путь. Искажения сигналов уменьшаются при использовании так называемых градиентных волокон, у которых имеет место плавное изменение показателя преломления от центра к периферии поперечного сечения волокна. Градиентное волокно можно приближенно представить как состоящее из ряда слоев со скачкообразным изменением показателя преломления на границе каждого слоя при его неизменном значении внутри каждого слоя. В градиентных волокнах искажения импульсов уменьшаются примерно в 200 раз. При этом имеет место также расширение полосы пропускания.

Оптические волокна могут состоять из стеклянных сердцевины и оболочки, кварцевой сердцевины и пластмассовой оболочки, а также пластмассовых сердцевины и оболочки. Пластмассовые волокна довольно легко соединяются между собой, достаточно прочны, но обладают высоким поглощением. Стеклянные волокна обладают наилучшими характеристиками по поглощению, но они менее прочны.

Для оптических волокон очень непростым оказался вопрос соединения между собой отрезков оптических кабелей. В настоящее время существует несколько способов такого рода соединений. Наиболее часто оптические волокна соединяют с помощью соединительной муфты; при этом концы соединяемых оптических волокон зачищают и крепят в концевых держателях, представляющих собой металлические стаканы. Концевые держатели вворачивают или вставляют в концентрическую направляющую муфту, выполненную в виде втулки. Такое разъемное соединение показано на рис. 5.11. При постоянном соединении концы оптических волокон сплавляют между собой или склеивают оптическим клеем.

При соединении оптических волокон возможны различные дефекты, которые распределены по группам и изображены на рис. 5.12. На рис. 5.12, а показано соединение, в котором концы световодов не соприкасаются друг с другом; на рис. 5.12, б— соединяемые световоды некоаксиальны; на рис. 5.12, в — сердцевины соединяемых световодов неконцентричны; на рис. 5.12, г — плоскости среза неперпенд кулярны осям волокон (по крайней мере, у одного из волокон); на рис. 5.12, д — оси волокон направлены под углом друг к другу; на рис. 5.12, е — концы волокон загрязнены или не обработаны, например не отшлифованы. При наличии какого-либо из названных дефектов будет иметь место большая погрешность при передаче сигнала, или же такая передача будет вообще невозможна.

Таким образом, в общем случае структурная схема оптоэлектронного преобразователя содержит источник излучения, оптический канал передачи сигнала, приемник излучения и измери;

Рис. 5.11. Соединение оптических волокон металлической муфтой.

Рис. 5.12. Возможные дефекты при соединении световодов.

тельную цепь. Измеряемая величина может воздействовать непосредственно на источник излучения или на оптический канал, моделируя соответствующий параметр потока в процессе распространения излучения.

Наиболее часто под воздействием измеряемой величины изменяется интенсивность светового потока. Кроме того, могут изменяться фазовый сдвиг между колебаниями в двух лучах, вызываемый разностью длин их оптического хода, а также длина волны и частота излучения, генерируемого источником.

Соответственно все оптоэлектронные приборы можно разделить на три группы: для измерения интенсивности излучения, для измерения сдвига фаз и угла поворота плоскости колебаний и для измерения частоты и длины волны оптического излучения.

При проектировании и использовании оптоэлектронных преобразователей необходимо учитывать потенциальные потери в световодах, которые могут быть вызваны следующими причинами:

• • поглощение света за счет примесей ионов металлов, таких как железо, медь, никель, хром, кобальт и магний;
• • рассеяние светового потока из-за неоднородности распределения молекул в стекле и на поверхности раздела сердцевины и оболочки;
• • изгибы волокон в оптическом кабеле недопустимо большой крутизны.

Волоконно-оптические датчики, принцип действия которых основан на измерении интенсивности излучения, не требуют использования когерентного излучения и не требуют использования специальных приемников излучения, поскольку амплитудно-модулированный световой сигнал в этом случае может непосредственно восприниматься и далее измеряться с помощью обычного фотодиода.