Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физические основы современных линий передачи сигналов

Голосов: 0

Изложены физические принципы работы основных линий передачи сигналов, предложенных в качестве средств связи и применяемых в настоящее время: двухпроводной линии, электрического кабеля, металлического волновода, диэлектрического волновода, радиорелейной линии, лучеводной линии, волоконно-оптической линии.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                                  PHYSICAL FOUNDATIONS          ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
                              OF MODERN SIGNAL
                              TRANSMISSION LINES            СОВРЕМЕННЫХ ЛИНИЙ
                              V. V. SHEVCHENKO              ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
                              Physical principles of the    З. З. тЦЗуЦздй
                              main signal transmission      кУТТЛИТНЛИ ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ ‰ ЫК·˚ М‡ У‰У‚, еУТН‚‡
                              lines, proposed some
                              time ago for application             ЗЗЦСЦзаЦ
                              as communication means                   Все разнообразие используемых в технике и бы-
                              and still used at present,           ту систем связи, в основном радиосвязи, можно све-
                              including two-conductor              сти к трем видам, отличающимся способами переда-
                                                                   чи сигнала от передатчика к приемнику. На рис. 1 в
                              transmission line, electric          упрощенной форме представлены эти системы свя-
                              cable, metallic waveguide,           зи. В первом случае используется ненаправленная
                              dielectric waveguide, radio          радиосвязь от передатчика к приемнику, типичная
                                                                   для широкого вещания радио и телевидения. Такой
                              relay line, beam guide               способ радиосвязи имеет то преимущество, что поз-
                              mode and fibre optical               воляет охватить практически неограниченное чис-
                              line, are considered.                ло абонентов – потребителей информации. Недо-
                                                                   статками такого способа являются неэкономное
                                                                   использование мощности передатчика и мешающее
                              аБОУКВМ˚ ЩЛБЛ˜ВТНЛВ                  влияние на другие аналогичные радиосистемы. В
                                                                   тех случаях, когда число абонентов ограничено и
                              Ф ЛМˆЛФ˚    ‡·УЪ˚ УТ-
                              МУ‚М˚ı ОЛМЛИ ФВ В‰‡˜Л
                              ТЛ„М‡ОУ‚, Ф В‰ОУКВМ-
                              М˚ı ‚ Н‡˜ВТЪ‚В Т В‰ТЪ‚
                              Т‚flБЛ Л Ф ЛПВМflВП˚ı ‚
                              М‡ТЪУfl˘ВВ ‚ ВПfl: ‰‚Ыı-
                              Ф У‚У‰МУИ ОЛМЛЛ, ˝ОВН-
                              Ъ Л˜ВТНУ„У Н‡·ВОfl, ПВ-
                                                                          Пер                               Пр
                              Ъ‡ООЛ˜ВТНУ„У ‚УОМУ‚У-
                              ‰‡,   ‰Л˝ОВНЪ Л˜ВТНУ„У
                              ‚УОМУ‚У‰‡, ‡‰ЛУ ВОВИ-
                              МУИ ОЛМЛЛ, ОЫ˜В‚У‰МУИ
                              ОЛМЛЛ, ‚УОУНУММУ-УФЪЛ-
                                                                          ПП                               ПП
                              ˜ВТНУИ ОЛМЛЛ.
      © тВ‚˜ВМНУ З.З., 1997




                                                                          ПП               Р               ПП



                                                                      Рис. 1. Системы связи: Пер – передатчик, Пр –
                                                                      приемник, ПП – приемопередатчик, Р – ретранс-
                                                                      лятор




100                                                                   лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997


нет необходимости в широковещании, использует-             Наиболее простым способом наложения на вол-
ся передача сигнала с помощью направленно излу-         новой процесс информации является модуляция
чающих антенн, а также при помощи специальных           (изменение во времени) амплитуды: A = A(t). Моду-
устройств, называемых линиями передачи сигнала          ляция амплитуды тока осуществляется в передатчи-
(ЛПС) или, короче, линиями передачи (рис. 1). За-       ке специальным устройством – модулятором, в ко-
метим, что этот укороченный термин применяется          тором электрический сигнал, например, звуковой
также к линиям передачи электрической энергии,          частоты от микрофона накладывается на колебание
например магистральным высоковольтным лини-             высокочастотного генератора. Высокочастотный
ям, соединяющим электростанции с городами. В на-        сигнал излучается антенной в пространство или ли-
шем случае речь идет о линиях, передающих малые         нию передачи, а на другом конце в приемнике сиг-
мощности, или, как говорили в первой половине           нал демодулируется (детектируется). Информация
нашего века, о слаботочных (имеется в виду слабый       снимается, например, телефоном или звуковым ди-
ток) информационных устройствах, имеющих свою           намиком. Амплитудная функция A(t) может быть
специфику [1].                                          непрерывной для сигнала, передающего звук, или
    В широковещательной связи обычно использу-          импульсной для сигнала, передающего телевизион-
ется однонаправленная передача сигнала от радио-        ное изображение. Импульсная модуляция использу-
станции к потребителю, при направленной же свя-         ется также для связи вычислительных машин, рабо-
зи, как правило, применяется двусторонняя связь,        тающих, как известно, с импульсными сигналами.
то есть на каждом конце системы связи имеются и         В современной технике связи во всех случаях, когда
передатчик и приемник (приемопередатчик – ПП).          требуется высококачественная передача информа-
При направленной связи не нужны передатчики             ции, применяются импульсные сигналы, которые
большой мощности, и их можно установить на обоих        лучше восстанавливаются при наличии помех, ис-
концах системы. При направленной магистральной          кажающих передачу сигналов.
связи на дальние расстояния через пространство и
в линиях передачи используются так называемые               При меняющейся во времени амплитуде функ-
ретрансляторы (Р), которые ставятся вдоль трассы        ция сигнала, строго говоря, не является гармониче-
(рис. 1). Они усиливают сигнал, очищают его от по-      ской, но она может быть представлена в виде суммы
мех и передают (ретранслируют) дальше.                  (или интеграла) по гармоническим функциям с ча-
   Линии передачи применяются как в виде магис-         стотами fn , где n = 1, 2, 3, …, близкими к частоте f, и
тральных линий, так и в качестве локальных (мест-       с соответствующими амплитудами An , уже не зави-
ных) линий, например для связи передатчика или          сящими от времени. Они составляют так называе-
приемника с антенной, а также в местных распреде-       мый спектр сигнала. Ширина полосы этого спектра
лительных сетях.                                        ∆f определяется количеством передаваемой сигна-
   Прежде чем рассматривать различные линии             лом информации за единицу времени. Чтобы сиг-
передачи, необходимо пояснить термин “сигнал”.          нал и, следовательно, информация проходили через
Под сигналом понимается физический процесс, не-         систему связи с незначительными искажениями,
сущий информацию (сообщение). Носителем сиг-            необходимо выполнение условия ∆f f, из которого
нала в радиотехнических цепях является электриче-       следует, что для передачи сигналов желательно ис-
ский ток, а в пространстве и линиях передачи –          пользовать по возможности более высокие частоты.
электромагнитная волна. Напряженность электри-          Поэтому развитие техники связи в целом и линий
ческого поля в волне можно записать в виде              передачи в частности шло в направлении перехода к
                                                        использованию более высоких частот. Эта тенден-
                E = A cos[k(z − υt)],                   ция хорошо прослеживается исторически на при-
где A – амплитуда волны, k = 2π / λ – волновое чис-     мере разработки и применения все новых линий пе-
ло, λ – длина волны, z – координата, вдоль которой      редачи сигналов.
распространяется волна, например вдоль линии пе-
редачи, t – время, υ – скорость распространения
волны. Действительно, если следить за горбом вол-       газаа иЦкЦСДуа
ны, то есть за максимальным значением косинуса,
для которого аргумент равен нулю (z − υt = 0), то по-      Рассмотрим принципы работы основных видов
лучим z = υt. Таким образом, горб волны движется        линий передачи сигналов, начиная от двухпровод-
со скоростью υ. Для электромагнитной волны в сво-       ной линии, которая начала применяться в начале
бодном пространстве υ = с, где с ≈ 300 000 км/с –       нашего века и кое-где в сельских местностях ис-
скорость света. В линии передачи скорость υ может       пользуется до сих пор для передачи телеграфных и
отличаться от c. Частота волнового колебания f,         телефонных сигналов, и кончая современной воло-
измеряемая в герцах (1 Гц равен одному колебанию        конно-оптической линией, которая наряду с кос-
в секунду), связана с длиной волны соотношением         мической (спутниковой) связью несомненно соста-
f = υ / λ или f = c / λ при υ = c.                      вит связь будущего.


тЦЗуЦздй З.З. оабауЦлдаЦ йлзйЗх лйЗкЦеЦззхп газав иЦкЦСДуа лаЙзДгйЗ                                                101


      С‚ЫıФ У‚У‰М‡fl ОЛМЛfl
         Двухпроводная линия отличается от обычного
      соединения с помощью двух проводов тем, что ее
      длина L может быть больше длины волны λ распро-
      страняющейся вдоль нее волны. Физическая при-
      чина такой ситуации состоит в конечности скоро-
      сти распространения электромагнитного поля, при
      этом, как уже отмечалось, λ = c / f (для двухпровод-
      ной линии скорость распространения волны υ = c,
      как в свободном пространстве). Таким образом, при
      отличной от нуля частоте f длина волны λ конечна.
         Основным требованием к конструкции линии
                                                                 Рис. 2. Электрический коаксиальный кабель.
      является условие d       λ, где d – расстояние между       Стрелки указывают направление электрического
      проводами [2]. Провода подвешиваются на столбах,           поля волны
      расстояние между проводами порядка метра. Двух-
      проводная линия может применяться для передачи
                                                              Если антенна коллективная, то кабель используется
      сигналов на волнах порядка сотен и более метров,
                                                              для создания распределительной сети от антенны к
      что соответствует частотам в диапазоне практически
                                                              телевизорам в каждой квартире дома.
      от нуля до f ≈ 1 000 000 Гц = 1 МГц (1 мегагерц). Как
      уже говорилось, двухпроводные линии используют             Попыткам продвинуть применение кабеля в об-
      для передачи телеграфных и телефонных сигналов, а       ласть более коротких волн препятствуют следую-
      также для трансляции местного радиовещания.             щие обстоятельства. С уменьшением длины волны
                                                              уменьшаются поперечный размер кабеля и особен-
                                                              но толщина центрального провода. Это приводит к
      щОВНЪ Л˜ВТНЛИ Н‡·ВО¸
                                                              увеличению его погонного (на единицу длины) со-
          Основной недостаток двухпроводной линии со-         противления и, следовательно, к увеличению по-
      стоит в том, что это открытая линия, допускающая        терь мощности сигнала, что требует уменьшения
      излучение волн в пространство и прием волн из           допустимой длины кабеля между ретрансляторами
      пространства; с этим связаны потери мощности            в магистральной линии. Если же отказаться от тре-
      сигнала и влияние внешних помех на передачу сиг-        бования d λ, то при условии d ≈ λ и тем более d > λ
      нала, природных (молния) и являющихся резуль-           вдоль кабеля кроме основной волны (поле которой
      татом человеческой деятельности (искрение в тех-        показано на рис. 2) смогут распространяться другие
      нических устройствах). Излучение и прием волн           типы волн, которые нежелательны (паразитные
      происходят в местах нарушения прямолинейности           волны), так как они имеют другие скорости распро-
      линии (изломы в местах крепления проводов, изги-        странения. В приемник приходит сразу несколько
      бы из-за провисания проводов и др.). Электричес-        сигналов на всех этих волнах с разным запаздыва-
      кий кабель, работающий на том же принципе, что и        нием относительно друг друга. В результате сигнал
      двухпроводная линия, свободен от указанного не-         оказывается искаженным. Чтобы этого избежать,
      достатка, так как является закрытой для электро-        необходимо создать условие распространения толь-
      магнитного поля линией [2]. В электрическом кабе-       ко одной волны – условие одноволновости. Для ка-
      ле один из проводов имеет цилиндрическую форму          беля это возможно только при d λ [2]. Одноволно-
      и окружает второй провод, так что поле направляе-       вый режим работы при d ≈ λ можно осуществить,
      мой волны оказывается закрытым внутри этого ци-         если использовать вместо электрического кабеля
      линдра (рис. 2). Центральный провод размещается         другую линию передачи – металлический волновод.
      коаксиально, поэтому другое название линии – ко-
      аксиальный кабель.
                                                              еВЪ‡ООЛ˜ВТНЛИ ‚УОМУ‚У‰
          Конструктивные требования к кабелю анало-
      гичны требованиям, предъявляемым к двухпровод-             Металлический волновод представляет собой
      ной линии. Поперечный размер кабеля d λ, при            полую металлическую трубку круглого или прямо-
      этом обычно длина кабеля L λ. Электрические ка-         угольного сечения. Плоская (для прямоугольного
      бели делятся на низкочастотные и высокочастот-          волновода) или цилиндрическая (для круглого) элек-
      ные, одножильные и многожильные. Кабели при-            тромагнитные волны могут распространяться по
      меняются для передачи сигналов на частотах до           волноводу, отражаясь от стенок. В результате интер-
      1 000 000 000 Гц = 1 ГГц (1 гигагерц), что соответст-   ференции отраженных под определенными углами
      вует длинам волн от 30 см и более. Примером высо-       волн образуются направляемые волновые структу-
      кочастотного одножильного кабеля может служить          ры с синусоидальным или близким к нему рас-
      широко известный телевизионный кабель, соеди-           пределением поля в поперечном сечении [2]. При
      няющий антенну с телевизионным приемником.              этом амплитуды направляемых волн описываются


102                                                              лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997


функциями от поперечных координат. Такие волно-        трики. Электромагнитная волна может распростра-
вые структуры называются модами (от англ. mode).       няться внутри стержня, отражаясь от его границ под
В кабеле эти моды оказались мешающими, паразит-        углом полного внутреннего отражения. Как и в ме-
ными. В волноводе же при отсутствии центрального       таллическом волноводе, при интерференции обра-
провода уже не может распространяться “кабель-         зуются направляемые волны – моды. При этом нет
ная” волна, но одна из мод может быть использова-      потерь мощности в металле, но имеют место потери
на для передачи сигнала. Одномодовый режим ра-         в диэлектрике. Эти потери все же достаточно вели-
боты можно осуществить, например, для круглого         ки, поэтому диэлектрические волноводы получили
волновода при 1,3d < λ < 1,7d, где d – внутренний      применение для передачи сигнала на миллиметро-
диаметр волновода. Заметим, что здесь λ = c / f. Она   вых волнах на сравнительно короткие расстояния
неравна длине волны моды в волноводе, которая          (метры, десятки метров).
имеет другое значение.
                                                          Однако диэлектрические волноводы оказались
   Из указанного условия видно, что в одномодо-        чрезвычайно перспективными для применения в
вом режиме волновод может работать только в по-        диапазоне световых волн, точнее, в диапазоне ин-
лосе частот, причем для каждой полосы частот не-       фракрасных волн с длиной волны порядка микро-
обходим свой волновод. Ниже этой полосы волны          метра (10− 6 м). Они представляют собой волокна из
(моды) вообще не могут распространяться в волно-       стекла, поэтому получили название оптических во-
воде, а выше начинают распространяться другие          локон или волоконных световодов. Волоконные
моды, возникает многоволновость.                       световоды мы рассмотрим несколько позже, когда
   Металлические волноводы получили примене-           речь пойдет о волнах оптического диапазона.
ние в качестве линий передачи сантиметровых и
миллиметровых волн. Центры полос одномодовых
                                                       ꇉЛУ ВОВИМ‡fl ОЛМЛfl
режимов работы стандартных волноводов соответ-
ствуют λ = 10 см, 3,2 см и 8 мм. При уменьшении           Наряду с разработкой волноведущих линий пе-
длины волны уменьшаются поперечные размеры             редачи развивались и исследования с целью приме-
волновода и возрастают потери мощности волны в         нения систем, использующих направленные антен-
стенках. Поэтому для волн с длинами порядка мил-       ны. Чтобы обеспечить передачу сигнала за пределы
лиметра и короче волноводы применяются лишь на         прямой видимости (за горизонт), антенны с ретранс-
очень короткие расстояния.                             ляторами помещали на высоко летящие объекты:
   Среди мод круглого волновода имеются волно-         самолеты и спутники, а также на специальные мач-
вые структуры, обладающие уникальным свойст-           ты высотой до 100 м, устанавливаемые вдоль трассы
вом: потери мощности этих мод уменьшаются с            на расстоянии 40–50 км друг от друга (рис. 3). Эта
ростом частоты. Поле этих мод осесимметрично, и        система передачи сигнала получила название ра-
оно возбуждает в стенке волновода только попереч-      диорелейной линии. Основное конструктивное тре-
ные токи, которые в отличие от продольных токов        бование накладывается на размер зеркала антенны.
уменьшаются с увеличением частоты. Поэтому круг-       Чтобы обеспечить хорошую направленность, то есть
лый волновод с одной из таких мод с наиболее про-      малый угол раствора диаграммы излучения антен-
стой структурой поля (мода Н01) разрабатывался в       ны θ, размер зеркала D должен быть достаточно
нашей стране и за рубежом для применения в каче-       большим по сравнению с длиной волны, поскольку
стве дальней магистральной линии связи в милли-        θ = qλ / D, где q – величина порядка единицы, θ изме-
метровом диапазоне волн (λ = 8 мм). Основная           ряется в радианах (1 радиан 57°). Радиорелейные
трудность состояла в обеспечении одномодового          линии используются в диапазонах дециметровых,
режима работы такого волновода. И хотя техничес-       сантиметровых и миллиметровых волн, поэтому раз-
ки это оказалось возможно, круглый волновод не         мер зеркала оказывается порядка одного или не-
получил применения для дальней связи, но уже по        скольких метров. Радиорелейные линии сейчас ши-
другой, экономической причине. Прокладка вол-          роко применяются. Мачты радиорелейных линий
новодной линии при тех условиях, которые требо-
валось выполнить (прямолинейность трассы и др.),
оказалась очень дорогостоящей.
                                                             D                θ

СЛ˝ОВНЪ Л˜ВТНЛИ ‚УОМУ‚У‰
   Диэлектрический волновод – это стержень из
диэлектрического материала, в котором могут рас-                 Р                     Р
пространяться электромагнитные волны с малыми
потерями [2]. Для волн миллиметрового диапазона
это полистирол и полиэтилен (фторопласт), мало-           Рис. 3. Радиорелейная линия с диаграммой излу-
поглощающие, так называемые неполярные диэлек-            чения антенны. θ – угол раствора диаграммы



тЦЗуЦздй З.З. оабауЦлдаЦ йлзйЗх лйЗкЦеЦззхп газав иЦкЦСДуа лаЙзДгйЗ                                            103


      можно увидеть вдоль магистральных шоссе и желез-     Автоматическая же подстройка линз требует раз-
      нодорожных линий.                                    работки специальных методов и дорогостоящих
                                                           устройств. Построенные линии, однако, нашли
                                                           применение в качестве измерительных линий для
      гЫ˜В‚У‰М‡fl ОЛМЛfl
                                                           миллиметровых и субмиллиметровых спектромет-
          В коротковолновой части миллиметрового диа-      ров (измерителей спектров), а также в качестве ин-
      пазона волн, субмиллиметровом диапазоне (длина       дикаторов перемещений земной поверхности при
      волны меньше миллиметра) и вплоть до светового       фиксации землетрясений.
      диапазона используются лучеводные линии переда-
      чи (рис. 4). Линия представляет собой ряд линз на    ЗУОУНУММУ-УФЪЛ˜ВТН‡fl ОЛМЛfl
      подставках в свободном пространстве или поме-
      щенных в трубу, выполняющую роль механической            Основу волоконно-оптической линии составля-
      защиты. Расстояния между линзами таковы, что         ет волоконно-оптический кабель, главным элемен-
      при распространении волн между линзами прояв-        том которого является волоконный световод [3].
      ляются два конкурирующих эффекта: фокусировка        Волоконный световод – это стеклянное волокно из
      пучка волн линзами, сужающая пучок, и дифракци-      высококачественного оптического стекла. Наибо-
      онное расширение пучка вследствие конечности         лее широкое применение в настоящее время полу-
      размеров линз. При этом в линии, как в волноводе,    чили волокна из кварцевого стекла. Исследуются
      при интерференции волн в пучке образуются вол-       также прозрачные если не в оптическом, то в ин-
      новые структуры, подобные волноводным модам          фракрасном диапазоне волн полимерные волокна.
      [2]. Возможен одномодовый режим работы линии,        Надо отметить, что и стекла оказались более про-
      если выполняются соотношения                         зрачны именно в инфракрасном диапазоне.
                                                               С точки зрения электромагнитной теории воло-
                    λ       d   l,   d2   λl,
                                                           конный световод представляет собой диэлектриче-
      где d – размер линзы, l – расстояние между линза-    ский волновод оптического или инфракрасного диа-
      ми. Наименьшие дифракционные потери, то есть         пазонов волн [4, 5] с длинами волн порядка одного
      потери мощности из-за того, что часть поля моды      или нескольких микрометров (1 мкм = 10−6 м). Вол-
      не попадает на следующую линзу вследствие ди-        новод неоднороден в поперечном сечении. Цент-
      фракционного расширения, наблюдаются, когда          ральная часть волокна – сердцевина оптически более
      расстояние между линзами l равно двойному фо-        плотная, то есть имеет коэффициент преломления
      кусному расстоянию линзы. Это условие сущест-        больший, чем окружающая часть – оптическая обо-
      венно отличается от того, которое получается при     лочка. Распространяющаяся по сердцевине волна
      расчете распространения лучей между линзами по       отражается от границы сердцевины и оболочки под
      законам геометрической оптики (без учета дифрак-     углом полного внутреннего отражения (рис. 5). Од-
      ции). Из такого расчета следует, что распростране-   номодовый режим работы волоконного световода
      ние лучей вдоль линии с наименьшими потерями         реализуется, если выполняется соотношение
      должно быть, когда расстояние l равно четырем фо-
                                                                                     2 1⁄2
                                                                           d ( nc – no )
                                                                               2
      кусным расстояниям. Поэтому лучеводные линии                                           0,8λ,
      называются еще квазиоптическими линиями, то
      есть почти (не совсем) оптическими.                  где d – диаметр сердцевины, nc и n0 – показатели
                                                           преломления сердцевины и оптической оболочки,
         Другими вариантами лучеводных линий явля-         λ – длина волны в свободном пространстве (не в ве-
      ются линии из фокусирующих зеркал. Как и волно-      ществе), при этом λ d, nc − no no . Распределе-
      водные, лучеводные линии не нашли широкого           ние поля основной моды в поперечном сечении яв-
      применения в качестве магистральных линий даль-      ляется функцией радиуса. Поле сосредоточено в
      ней связи, прежде всего по экономическим причи-      сердцевине и резко спадает в оболочке [4, 5].
      нам. Слишком дорого обходится прокладка таких
      линий из-за требований к точности установки линз        Конструктивно оптическое волокно – это много-
      (или зеркал). Земля “дышит”, и линзы смещаются.      слойная структура, включающая сердцевину, опти-
                                                           ческую оболочку, технологическую оболочку, слой
                                                           защитного лака. Волокно помещают в защитную

         d
                                                                     n0
                                                              d      nc
                        l                   l


         Рис. 4. Линзовая лучеводная квазиоптическая          Рис. 5. Волоконный световод, nc и no – показатели
         линия                                                преломления сердцевины и оптической оболочки



104                                                           лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997


оболочку. Роль последней – защита оптической ча-
сти от механического и химического влияния
внешней среды. Эта оболочка делается обычно из            SiCl4
полимера, в особых случаях используется также ме-                          SiO2
                                                            O2
таллическое покрытие. Описанная конструкция –
стеклянное волокно с защитной оболочкой – назы-
вается оптическим модулем, то есть по существу это
одноволоконный оптический кабель. Как и электри-
ческие, оптические кабели могут быть одножильны-
ми (одномодульными) и многожильными (многомо-
дульными), последние с дополнительной жесткой
полимерной или металлической центральной жилой
и дополнительным общим защитным покрытием.
   Технология изготовления оптического волокна                                      Г
удивительна, и о ней стоит рассказать более по-
дробно. Для передачи сигнала по волоконному све-         Рис. 6. Процесс осаждения плавленого кварца
товоду на большое расстояние необходимо особо            (SiO2) внутри стеклянной (кварцевой) трубки при
чистое стекло. В 1966 году ученые подсчитали, что        окислении (O2) газообразного хлористого крем-
если поглощение света в стекле будет таково, что,        ния (SiCl4), Г – горелка
пройдя по волокну расстояние в 1 км, мощность
света уменьшится до 1% начальной мощности, то         трубку добавляется хлористый германий (GeCl4). В
такое волокно можно использовать в качестве воло-     результате образуется слой, содержащий SiO2 с не-
конного световода для передачи сигнала. Соответ-      большой добавкой GeO2 , что несколько увеличива-
ствующий коэффициент передачи по мощности К =         ет показатель преломления по сравнению с чистым
= 10−2 км−1 или в используемых в технике единицах –   кварцем. Затем процесс осаждения кварца пре-
децибелах коэффициент α = 10lgK = = −20 дБ/км.        кращается, а трубка нагревается до плавления и
В этом случае говорят, что при прохождении сигна-     схлопывается. Образуется стержень – заготовка со
ла имеют место потери мощности в 20 дБ/км. При        сверхчистыми сердцевиной и оптической оболоч-
таких потерях усилительные ретрансляторы можно        кой. Исходная часть трубки называется техноло-
ставить через один или несколько километров, и        гической оболочкой, к ней не предъявляются тре-
оптический кабель уже сможет конкурировать с          бования особой оптической чистоты. Полученная
электрическим кабелем. Однако самые чистые оп-        заготовка плавится в особой печи, и из нее вытяги-
тические стекла того времени могли дать потери        вается оптическое волокно нужных поперечных
лишь в несколько тысяч децибел на километр. По-
                                                      размеров, которое в процессе вытяжки сразу по-
пытки очистить стекло в процессе варки различны-
                                                      крывается слоем защитного лака, чтобы при затвер-
ми известными методами позволили уменьшить
                                                      дении на поверхности стекла не образовывались
потери до нескольких сот децибел на километр. Ос-
                                                      микротрещины, которые существенно ухудшают
новные потери мощности приходились на содер-
                                                      механическую прочность и надежность оптическо-
жащиеся в стекле ионы металлов несмотря на их
микроскопическое количество. Казалось, это был        го волокна.
предел возможного.                                        В дальнейшем и за рубежом и в нашей стране в
   Но вот в 1970 году специалисты американской        научно-исследовательских институтах Академии
фирмы “Корнинг гласс” получили волокно с поте-        наук (Институте общей физики, Институте химии
рями 20 дБ/км и даже несколько меньше. Исполь-        высокочистых веществ, Институте радиотехники и
зуя идеи получения сверхчистых материалов, при-       электроники) и промышленных научно-исследова-
меняемые в полупроводниковой технологии, они          тельских институтах начали производить оптичес-
разработали метод получения сверхчистого кварце-      кие кварцевые волокна с потерями порядка не-
вого стекла из газа – газовой фазы (метод парофаз-    скольких и даже одного децибела на километр на
ного осаждения стекла), причем непосредственно в      длинах волн λ = 0,8; 1,3 и 1,5 мкм. Длины волн оп-
процессе изготовления волокна, точнее, заготовки      ределялись спектрами поглощения в стекле и нали-
для оптического волокна. На рис. 6 схематически       чием соответствующих генераторов – лазеров. Ре-
показан процесс получения сверхчистой сердцеви-       кордное значение составило 0,2 дБ/км на длине
ны в кварцевой трубке. В трубку из кварцевого стек-   волны 1,5 мкм, что близко к теоретическому преде-
ла вдуваются газы: хлористый кремний (SiCl4) и        лу (0,18 дБ/км) на данной длине волны. Этот предел
кислород (O2). Трубка подогревается движущейся        определяется уже не чистотой стекла, а его естест-
вдоль нее горелкой. В результате окисления крем-      венной структурной неоднородностью, приводя-
ния на стенках трубки оседает плавленый кварц         щей к рассеянию света (рэлеевское рассеяние, на-
(SiO2). После образования слоя чистого кварца в       званное так по имени известного английского


тЦЗуЦздй З.З. оабауЦлдаЦ йлзйЗх лйЗкЦеЦззхп газав иЦкЦСДуа лаЙзДгйЗ                                        105


      физика Рэлея, впервые исследовавшего рассеяние       электрического кабеля применяются волноводы и
      волн в веществе).                                    лучеводы, которые используются также в качестве
                                                           измерительных линий, с помощью которых измеря-
         Чтобы лучше представить себе прогресс в полу-
                                                           ют и изучают спектры излучений и поглощений.
      чении высокочистых оптических волокон, прове-
      дем сравнение потерь в волокнах до возникновения
      волоконной оптики как средства связи с потерями,
                                                           ганЦкДнмкД
      достигнутыми в настоящее время. Как уже говори-
      лось, для применения прозрачных волокон в каче-         1. Миллер М.А., Смирнов А.И. Линии передачи // Физи-
      стве волоконных световодов достаточно иметь по-         ческая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1990.
      тери в 20 дБ/км. Получаемые при обычной очистке         Т. 2. С. 596.
      стекла потери, например, в 2000 дБ/км соответство-
      вали потерям в 20 дБ при длине световода в 10 м, а      2. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Ра-
                                                              дио и связь, 1988.
      достигнутые потери в 0,2 дБ/км дают потери в 20 дБ
      уже при длине световода в 100 км. Таким образом,        3. Дианов Е.М. Волоконная оптика // Физическая эн-
      если в магистральной волоконно-оптической ли-           циклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1988. Т. 1. С. 333.
      нии и требуются ретрансляторы-усилители, то их          4. Маркузе Д. Оптические волноводы. М.: Мир, 1974.
      надо ставить через 100 км или более.
                                                              5. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов.
                                                              М.: Радио и связь, 1987.
      бДдгыуЦзаЦ

          Итак, мы рассмотрели линии передачи сигнала,                              * * *
      которые применяются: 1) как средства связи в виде
      магистральных линий связи на дальние расстояния,        Виктор Васильевич Шевченко, доктор физико-
      то есть в качестве междугородних линий: двухпро-     математических наук, профессор кафедры радио-
      водные линии, электрические кабели, радиоре-         физики Российского университета дружбы наро-
      лейные линии, волоконно-оптические линии, 2) в       дов, главный научный сотрудник Института радио-
      качестве линий внутригородской связи и во внутри-    техники и электроники РАН. Область научных
      объектовой (внутри зданий) распределительной се-     интересов: радиофизика и оптика – прикладная
      ти: электрические и волоконно-оптические кабели –    электродинамика, квазиоптика, волоконная и ин-
      и 3) в виде линий связи антенн с передатчиком и      тегральная оптика. Автор и соавтор более 130 на-
      приемником, в частности антенны с ретранслятором     учных работ, в том числе двух монографий, шести
      в радиорелейной линии. В последнем случае кроме      изобретений.




106                                                           лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹3, 1997



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика