Отраженный свет попадает в приемную оптику и на фотоприемник. На выходе приемника выделяется модулирующий сигнал, но фаза его запаздывает относительно фазы сигнала в модуляторе оптического передатчика. Измерив разность фаз, можно затем рассчитать и расстояние до отражателя. В современных дальномерах это делает встроенный микропроцессор, и результат — дистанция в миллиметрах выдается на многоразрядный цифровой дисплей.
Наконец, третий пример, оптрон. Это уже не прибор, перекрывающий большие расстояния, а элемент электронных схем. Оптрон представляет собой пару: светодиод — фотодиод, объединенные в одном непрозрачном корпусе. Выводы светодиода и фотодиода электрически не соединены друг с другом, поэтому оптрон может служить прекрасным элементом связи или развязки между электрическими или электронными устройствами. В качестве примера можно привести случай, когда нужно вывести информацию из установки, находящейся под высоким напряжением, а соединительные провода использовать нельзя из-за ограниченной электрической прочности изоляции или по условиям техники безопасности.
Конструкции оптронов могут быть самыми разными. Если высоковольтной изоляции не требуется, то весь оптрон, включая светодиод и фотодиод, выполняется в виде единой конструкции. Такие оптроны часто используют как элементы электронных схем, например в качестве элемента связи в триггерах, мультивибраторах или операционных усилителях. Интересна конструкция оптрона с открытым воздушным оптическим каналом. Он допускает механическую модуляцию светового потока. Предположим, что требуется с высокой точностью знать частоту вращения вала. На вал насаживают обтюратор — диск с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Секторы прерывают поток света в оптическом канале оптрона, и на выходе фотодиода появляются импульсы, следующие с частотой, кратной частоте вращения. Другое применение — счет деталей на конвейере и тому подобное.
Оптрон.
Применение оптрона.
Однажды нашей лаборатории понадобилось изготовить только что описанный датчик скорости вращения вала. Включили светодиод, но подвели к нему питание не от источника постоянного тока, а от звукового генератора, чтобы на выходе фотодиода получить переменный звуковой сигнал, который легко усилить и измерить. Стали добиваться предельной чувствительности системы, подбирая режим элементов, схему усилителя.
А как проверить чувствительность? Очень просто: отодвигать фотодиод от светодиода. По мере совершенствования устройства добились расстояния между излучателем и приемником более метра. И тут возникла мысль: а не снабдить ли светодиод и фотодиод собирающими линзами? Нашли линзу, попробовали поставить ее на пути, да так, чтобы фотодиод оказался в фокусе. Сигнал возрос, но отодвигать фотодиод дальше не позволяли размеры лаборатории. Не беда. Посчитали теоретически. Получилось, что даже с двумя относительно небольшими линзами диаметром около 40 мм дальность действия нашего оптрона достигает километра! И вторая мысль — вместо монотонного писка звукового генератора передавать обычный человеческий голос. Разумеется, мы уподобились современным изобретателям велосипедов — светотелефон давно известен, — но зато как интересно своими руками сделать подобную конструкцию. Светотелефон был изготовлен. Каждый аппарат действовал всего от двух элементов с напряжением 1,5 В, которых хватило на целый сезон. Дальность действия не превысила, правда, полутора километров, но ведь использовались слабенький светодиод с некогерентным излучением и случайно оказавшиеся под рукой линзы.
Линии оптической связи с лазерами в качестве источников света могут обеспечивать дальность в десятки и сотни километров; практически она ограничена только поглощением света в атмосфере. Значит, в космосе..? В космосе лазерная линия связи может перекрыть миллионы километров благодаря очень малой расходимости в пространстве лазерного луча.
У оптической линии связи есть еще одно громадное достоинство. Любой канал связи обычно бывает узкополосным. Во всяком случае полоса передаваемых частот оказывается не более нескольких процентов частоты несущей. На частоте 10 ГГц (длина волны 3 см) в СВЧ диапазоне можно передать полосу частот 100 МГц, что примерно соответствует скорости передачи двоичной информации 100 Мбит/с. А в КВ диапазоне на частоте 10 МГц (длина волны 30 м) она не может превзойти 100 кбит/с. да и передавать полосу частот 100 кГц на КВ не позволит ни одна инспекция электросвязи.
Иное дело в оптическом диапазоне. При длине волны 1 мкм частота несущей составляет 3·108 МГц, а полоса передаваемых частот может достигать 3·106 МГц, или 3000 ГГц. Скорость передачи информации 3000 Гбит/с! Пока это фантастика, но теоретически возможная. В настоящее время скорость передачи информации в оптическом диапазоне ограничена только инерционностью фотоприемников, и пределы ее повышения практически неисчерпаемы. Это позволяет передавать огромные объемы информации. В Москве давно уже функционирует линия оптической связи между двумя высотными зданиями. Она используется как часть городской телефонной сети. Тоненький красный луч лазера переносит многие тысячи телефонных разговоров. Представляете, сколько меди, свинца и пластика оказалось возможным не укладывать под землю.
Теперь мы вплотную приблизились к очень интересной теме.
Трудно предположить, что Москву часто будет окутывать непроницаемо густой туман и лазерная линия связи перестанет функционировать. И все-таки, а вдруг? Хотелось бы иметь линию связи, совершенно не зависящую от погодных условий. Такие линии есть — это кабели. Но они дороги, на их изготовление идет масса дорогих цветных металлов, а пропускная способность все время остается недостаточной. Возникла идея пустить световой сигнал по стеклянному волокну.
Устройство стекловолоконного «кабеля» непростое. Сердцевина его имеет больший показатель преломления, чем периферийная часть. А свет может преломляться в неоднородной среде в сторону среды с большим показателем преломления. В этом случае пологие световые лучи будут всегда отклоняться к центру волокна и никогда не выйдут наружу. В зависимости от технологии изготовления волокна показатель преломления может изменяться либо плавно, либо скачкообразно, если в процессе изготовления «сердцевину» волокна покрыть еще одним слоем «легкого» стекла. В этом случае свет будет испытывать полное внутреннее отражение на границе раздела слоев и опять же не сможет покинуть «сердцевину» стекловолокна.
Стекловолоконный кабель.
Стекловолокно можно сделать очень тонким, теоретически до половины длины волны, т. е. 0,25 мкм. Промышленно выпускаемые волокна значительно толще, диаметр их составляет доли миллиметра. Тем не менее стеклянное волокно такого диаметра оказывается гибким и легко наматывается на катушку. Снаружи волокно покрывают слоем полиэтилена для защиты от механических повреждений. Торцы стекловолокна шлифуют. И к ним присоединяют светодиод или полупроводниковый лазер с одной стороны и фотодиод — с другой. Волоконная оптическая линия связи (ВОЛС) — готова! Ее можно, как и кабель, уложить под землей, можно подвесить на столбах, протащить в слуховое окно — словом, обращаться так же, как мы обращаемся с электрическими проводами. Причем ВОЛС имеет явные преимущества. Она не боится сырости (никаких коротких замыканий или утечек тока не будет), не требует изоляции, не коррозирует и не окисляется. А на ее изготовление идет самый недефицитный материал — ведь стекло получают переплавкой обычного песка!
Разумеется, есть и проблемы. О ВОЛС долго спорили. Скорость передачи информации высокая, это хорошо, но вот дальность…