Рис. 1.4. Построение сетей оптической связи 1.3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Оптическая световодная связь базируется на применении квантовых приборов, называемых лазерами. Принцип действия лазеров основан на использовании излучения атомами вещества под воздействием внешнего электромагнитного поля. Известно, что движение электронов атома вокруг ядра характеризует энергетическое состояние электронов, иначе называемое энергетическим уровнем. Каждому уровню соответствует определенная орбита вращения электронов, и чем дальше от ядра находятся электроны, тем большей энергией они обладают. При переходе электронов с одной орбиты на другую под воздействием внешнего электромагнитного поля меняется населенность энергетического уровня и происходит излучение энергии.

Чтобы электроны перевести на верхний уровень, к атому необходимо подвести дополнительную энергию. Процесс энергетического перехода при излучении показан на рис. 1.5. За счет подводимой электромагнитной энергии электроны переводятся на вспомогательный уровень J, затем происходит их произвольное скопление на верхнем энергетическом уровне 2.

Рис. 1.5. Световое излучение под воздействием электромагнитного поля

Излучение сВета 1

свет

Рис. 1.6. Принцип действия полупроводникового лазера

Возвращение электронов в основное состояние на нижний энергетический уровень / сопровождается интенсивным излучением квантов света-фотонов.

В настоящее время известны различные типа лазеров - полупроводниковые, твердотельные, газовые, химические и др. Полупроводниковый лазер представляет собой полупроводниковый диод с р-п переходом, выполненный из активного материала, способного излучать фотоны. В качестве такого материала лреимущественно используется арсенид галлия GaAs с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, Щ1нка). В зависимости от характера и количества присадок полупроводника имеем области электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за счет Щ1нка) проводимостей.

Под воздействием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает излучение световой энергии и появляется поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения.

Схематично полупроводниковый лазер показан на рис. 1.6. Объем полупроводника примерно 1 мм. К нему подведены металлические электроды для подачи электрического напряжения от генератора Г. Роль отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника. Излучение происходит в слое р-п перехода толщиной 0,15-0,2 мкм.

В настоящее время в качестве источников оптического излучения наряду с лазерами применяется светоизлучающий диод, который представляет собой такой же полупроводник из арсенида галлия, но не имеет резонансного усиления. В отличие от лазера в СД излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч имеет меньшую могдность и широкую диаграмму направленности излучения.

Отличие лазерного излучения от обычного света состоит в том, что в первом случае имеет место строго фазированное, когерентное, т. е. согласованное во времени и пространстве,

движение фотонов и создается остронаправленный луч. При обычном свете движение этих частиц несогласованно и излучается довольно широкий спектр волн. Последнее обусловлено тем, что обычный свет имеет тепловой источник излучения фотонов, а лазерное излучение имеет в своей основе электромагнитную природу. Лазерный луч обладает ря-

СВет-

Рис. 1.7. Принцип действия фотодиода

ДОМ замечательных свойств. Он распространяется на большие расстояния и имеет строго прямолинейное направление. Луч - это очень узкий пучок с малой степенью расходимости. Так, лазерный луч достигает Луны с фокусировкой сотни метров. Лазерный луч выделяет много тепловой энергии и может пробивать отверстия в любом материале. Интенсивность луча может быть больше, чем интенсивность самых сильных источников света.

Фотодиоды (ФД) выполняют обратные функции по сравнению с СД или ПЛ. Они преобразуют оптические сигналы в электрические. Здесь используется фотоэлектрический эффект, при котором в результате падения лучей света создаются носители электрических зарядов и появляется электрический ток (рис. 1.7).

В полупроводниковых ФД кванты оптической энергии вызывают образование пар противоположных зарядов, направленное движение которых в слоях кристалла приводит к протеканию электрического тока. Этот ток пропорционален мощности оптического сигнала. Таким образом, ФД преобразует световую энергию в электрическую.

Наиболее широкое применение получили арсенид-галлиевые лавинные ФД и кремниевые ФД. Достоинством лавинных ФД является существенное увеличение силы тока из-за вновь образуемых носителей.

1.4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

Сравним ОК с электрическими кабелями (симметричными и коаксиальными), а также другими направляющими системами передачи (волноводами, сверхпроводящими кабелями, воздушными линиями). Частотно-волновые диапазоны использования различных направляющих систем передачи высокочастотной энергии показаны на рис. 1.8.

Из рисунка видно, что по частотному диапазону использования наиболее широкие возможности открывают волноводы