Схем. Характеристики интегрально-оптических

Преимущества интегральной оптики

К основным преимуществам волоконно-оптических и интегрально-оптических элементов относят:

• 
  невосприимчивость к электромагнитным помехам (ЭМП);
  
• 
  отсутствие риска «короткого» замыкания или замыкания на землю;
  
• 
  безопасность работы в окружении горючих веществ (топлива);
  
• 
  безопасность, связанная с радиоперехватом или подслушиванием;
  
• 
  малые потери при передаче;
  
• 
  большая пропускная способность (возможность мультиплексирования);
  
• 
  малые размеры и вес;
  
• 
  малая стоимость, использование доступных материалов.
  

В таких областях применения, как бортовая радиолокация, управление ракетами, обнаружение неисправностей в высоковольтных линиях, а также многоканальная связь, крайне важно, чтобы система продолжала нормально функционировать, в присутствии сильных электромагнитных помех. Конечно, металлические провода можно экранировать, как это имеет место в случае коаксиальных кабелей, однако металлический экран увеличивает вес аппаратуры, ее стоимость и приводит к появлению паразитных емкостных связей, ограничивающих частотные характеристики систем и ширину полосы пропускания. Волоконным световодам свойственна невосприимчивость к большинству видов ЭМП, вследствие отсутствия металлических проводов, в которых за счет электромагнитного взаимодействия с радиопомехой мог бы индуцироваться ток. Кроме того, сравнительно легко исключить нежелательную подсветку, покрывая волокно (или узел из нескольких волокон) непрозрачной оболочкой.Перекрестные помехи, т. е. нежелательное взаимодействие между сигналами, распространяющимися по соседним оптическим волокнам в волоконном кабеле, также минимальны, поскольку каждая светопроводящая жила волоконного световода окружена сравнительно толстой оболочкой, через которую не могут проникать поля распространяющихся оптических волн. Во многих областях применения оптической аппаратуры невосприимчивость распространяющихся оптических волн к электромагнитным помехам сама по себе является весьма существенной причиной предпочтительного использования волоконно-оптических соединений вместо проводов или калебей. Однако, как будет видно из дальнейшего, имеется еще целый ряд преимуществ, которые делают еще более выгодным использование волоконно-оптических соединений. В отличие от металлических проводов по оптическим волокнам ток не течет; следовательно, «короткие» замыкания не возникают. Это дает возможность связывать волокна в плотные узлы и пропускать их по металлическим трубопроводам, не заботясь об электрической изоляции. Волоконно-оптические соединения особенно полезны в тех случаях, когда имеют дело с высоким напряжением. В подобных случаях такие свойства волоконно-оптических соединений ис- ключают необходимость в использовании дорогостоящих изолирующих трансформаторов. Поскольку не возникает искр при повреждении световодов, то их можно использовать во взрывоопасных средах.

В военной и других (особо важных) областях применения волоконно-оптические соединения обеспечивают большую невосприимчивость к перехвату или контролю извне по сравнению с электрическими проводами или линиями радиосвязи. Это обусловлено отсутствием электромагнитного излучения, распространяющегося за пределы оптического волокна, сигнал кото- рого можно перехватить за счет наведения электромагнитной индукции в петле или антенне. Чтобы перехватить сигнал из волоконного световода, необходимо каким-то образом повредить светозащитную оболочку волокна. Это очень трудно сделать без нарушения светопередачи по данному волокну до такой степени, чтобы этого нельзя было заметить, что в свою очередь позволяет быстро принять надлежащие контрмеры.
Очевидно, самым важным преимуществом волоконных световодов является то, что их можно использовать для передачи оптических сигналов с малыми потерями на расстояния до 100 км без регенерации сигнала, и до тысяч километров – с регенерацией. Потери в серийно выпускаемых кварцевых волокнах составляют 0,2 – 0,3 дБ/км. Потери в оптическом волокне сравнительно слабо зависят от частоты, в то время как у других конкурирующих средств передачи информационных сигналов они резко возрастают по мере увеличения частоты. Например, для частотной зависимости потерь в скрученном двухпроводном кабеле, который обычно используют для соединения элементов авиационного электронного оборудования, видно, что потери существенно возрастают при частоте модуляции выше 100 кГц. Коаксиальные кабели применяют для передачи сигналов на сравнительно небольшие расстояния на частотах вплоть до 100 МГц, даже если потери велики, однако, выше указанной частоты потери становятся неприемлимо большими. Для сравнения отметим, что затухание в волокне незначительно даже на частотах вплоть до 10 ГГц. Максимальная частота, на которой
можно использовать оптическое волокно для передачи сигналов, ограничивается скорее не самим за- туханием, а косвенно явлением дисперсии, т.е. зависимости времени распространения света от длины волны или модового состава.

В большинстве областей использования интегральной оптики такая большая полоса пропускания волоконных световодов будет использоваться не для передачи одного единственного столь высокочастотного сигнала, а скорее для мультиплексирования большого числа сигналов с меньшей шириной на одной и той же несущей оптической волне. Эта возможность мульти- плексирования, предоставляемая волоконными световодами, в сочетании с тем, что их диаметр обычно в сотни раз меньше,, чем у коаксиального кабеля, означает, что количество информационных каналов на единицу площади поперечного сечения при использовании волоконных световодов по порядку величины в 10⁴ раз больше, чем при использовании токов и радиоволн.

При рассмотрении различных преимуществ волоконных световодов мы уже отмечали, что по ним могут передаваться широкополосные сигналы порядка 10 ГГц. Однако недостаточно иметь возможность передачи таких сигналов, если нет возможности их генерации и обработки. Это привело к созданию оптических интегральных схем (ОИС).
Оптические интегральные схемы (ОИС) имеют целый ряд преимуществ перед любым другим элементом, например, перед электрической интегральной схемой:

• 
  увеличенная ширина полосы;
  
• 
  большие возможности разделения по частоте (длине волны) при мультиплексировании;
  
• 
  использование элементов связи с малыми потерями, включая шины для выбора информации;
  
• 
  большие возможности при переключениях (количество позиций, скорость переключения);
  
• 
  меньшие размеры, вес, потребляемая мощность
  
• 
  повышенная надежность.
  

Оптические интегральные схемы по существу обладают такой же широкой характеристической полосой пропускания, как и волоконные световоды, поскольку в обоих случаях средством; переноса информации является световая волна, а не электрический ток. Поэтому можно пренебречь емкостными и индукционными эффектами, ограничивающими значение частоты. При сравнении с расширенными оптическими системами, состоящими из дискретных элементов, следует ожидать, что ОИС имеют перед ними такие же преимущества, которые имеют электрические интегральные схемы перед дискретными системами, собранными вручную. К ним относятся меньшие размеры, вес, потребляемая мощность, а также повышенная надежность и экономия при серийном производстве.

Кроме того, оптическая юстировка и чувствительность к вибрациям, которые представляют собой сложные проблемы для оптических систем, состоящих из дискретных элементов, достаточно контролируются в ОИС автоматизированно.