Волоконно-оптические линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Министерство Путей Сообщения

Московский Государственный Университет Путей Сообщения

(МИИТ)

Курсовая работа

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Преподаватель: Никитенко В.А.

Студент: Долгачев И.Н.

Группа: ЭВМ-111

Москва 1996

Содержание

1. Свет переносит информацию

2. От спектра к когерентности

2.1 Что такое свет?

2.2 Цвет, длинна волны, частота - три характерных параметра света

2.3 Спектры источников света

2.4 Естественный свет в опытах по интерференции

3. Техника опережает природу

3.1 Как образуется некогерентный свет

3.2 Лазер как источник светового излучения

3.3 Высокая степень когерентности требует затрат

3.4 Полупроводниковый лазер, предназначенный для микроэлектроники

4. Утопия и реальность

4.1 Фантастические возможности

4.2 Модуляция интенсивности излучения

4.3 Как передают свет?

4.4 Распространение света при полном отражении

5. Световод - посредник между передатчиком и приемником

5.1 Ослабление означает потерю световой энергии

5.2 Разница во времени пробега ограничивает пропускную способность линии связи

5.3 Пропускная способность волоконных световодов

5.4 Оптические кабели, их конструкции и свойства

6. Источники света - светоизлучающий диод и лазер

6.1 Что означает импульсный режим?

6.2 Тип источника определяет мощность

6.3 Проблема вывода световой энергии

6.4 Срок службы источников света

6.5 Лазер или светоизлучающий диод?

7. Световой сигнал на приемном конце линии

7.1 Необходимость преобразования света в электрический ток

7.2 Фотодиоды используют внутренний фотоэффект

7.3 Шум - сильнейший враг техники связи

7.4 Какой длины может быть оптическая линия передачи?

8. Многоцелевая абонентская сеть

1. Свет переносит информацию

У человека имеется пять органов чувств, но один из них особенно важен - это зрение. Глазами человек воспринимает большую часть информации об окружающем его мире в 100 раз больше, чем посредством слуха, не говоря уже об осязании, обонянии и вкусе.

Далее человек заметил ”посторонний источник света” - солнце. Он использовал огонь, а затем различные виды искусственных световых источников для подачи сигналов. Теперь в руках человека был как световой источник, так и процесс модуляции света. Он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник (глаз).

Определив в качестве модуляции преобразование механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс - демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.

Такая обработка может представлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи.

Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду.

Используют в качестве световых приемников технические устройства - фотоэлементы или фотодиоды.

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Рис. 1. ? Простое световое переговорное устройство:

1 - микрофон; 2, 3 - усилители; 4 - телефон.

2. От спектра к когерентности

2.1 Что такое свет?

Сегодня знание природы света углубилось незначительно. Физики сошлись лишь во мнении о том, что свет объединяет в себе оба свойства: корпускулярную природу и типичные свойства волнового процесса, которые представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.

2.2 Цвет, длинна волны, частота - три характерных параметра

света

Важным параметром света является его длина волны. Под этим подразумевается расстояние между двумя положительными или отрицательными максимумами последовательности колебаний.

Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его частотой.

или

где - длина волны;

- частота, 1или герц (сокращенно Гц).

2.3 Спектры источников света

Чтобы понять различия источников света, которые применяются в качестве передатчиков в устройствах оптической техники связи, остановимся прежде всего на свойствах обычных источников света.

В обычной лампе накаливания не одна, а огромное количество различных длин волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значения области длин волн. Внутри этой области лежит основная доля энергии излучения. Длины волн за пределами этой области изучаются слабо, т.е. являются длинами волн с малыми составляющими мощности. Внутри области излучения (которая в лампе накаливания простирается приблизительно от видимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные длины волн расположены так, что они не различаются измерительными приборами. В этом случае говорят о непрерывном спектре излучаемого света. Который, в свою очередь может стать спектром поглощения, если вырезать участки длин волн из непрерывного спектра излучения.

2.4 Естественный свет в опытах по интерференции

Для всех волновых процессов наиболее значительно и характерно явление интерференции. Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой фазой, это означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно совпадают и оба процесса складываются и усиливаются. Однако если между обоими процессами имеется разность фаз или различие по расстоянию точно на половину длинны волны, т.е. совпадает максимум одного колебания с минимумом другого и оба имеют одинаковую мощность, то процессы гасят друг друга.

Свойство естественных источников света, которые никогда между собой не интерферируют, так как их фазовые состояния постоянно претерпевают случайные и быстрые колебания, называется некогерентностью. Хотя световые лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются электромагнитными колебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и соответственно более высокой частотой, они отличаются от радиоволн именно свойством некогерентности.

Радиопередатчики генерируют когерентное излучение. Положение фазы их колебаний в течение длительного времени настолько постоянно, что приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Без свойства когерентности не могли бы функционировать мощные электрические системы связи.

3. Техника опережает природу

3.1 Как образуется некогерентный свет

Одиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и несинхронно, т.е. независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.

Обратимся к атомной модели Бора, проложившей новые пути в развитии физики и побудившей ученых к новым исследованиям природы светового излучения. Исходным пунктом для этого был спектральный анализ газов. В газовой трубке с двумя впаянными на концах электродами наблюдалось свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий на определенных расстояниях, т.е. при определенных длинах волн. Расположение этих линий зависело от состава газа, которым была наполнена трубка.

Швейцарский математик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты измеренных спектральных линий описываются следующим простым уравнением:

где n, m - целые числа;

R - константа, не зависящая от состава газа, Гц

Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным квантом излучения. Количественное значение кванта излучения было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретирует энергию светового излучения как целое кратное определенным минимально возможным порциям энергии hf, где f - частота энергии излучения. Из ранее приведенных рассуждений вытекает знаменитая атомная модель Бора. Вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы - электроны. У водорода - элемента с наиболее простым строением атома - имеется только один электрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.

Если к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть поднят на следующую, более высокую орбиту. Радиусы орбит относятся согласно Бору как квадраты целых чисел, т.е. как 1:4:8 и т.д. При этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно соответствующая кванту Планка, тогда начальная орбита Бора остается без электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты не являются для электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем возвращается на первоначальную орбиту - прямо или “по ступенькам”. И подобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома. Освободившаяся энергия согласно уравнению Планка проявляется как излучение определенных частот.

3.2 Лазер как источник светового излучения

Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным атомом водорода. Прежде всего различия проявляются во влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило, размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или менее “запрещены”, т.е. они не должны иметь места (эти запреты надо понимать не совсем буквально).

В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспериментальных образцов лазера - в рубиновом лазере.

В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома: основной уровень и состояние . Переход с уровня на основной , строго говоря, запрещен, т.е. электрон на уровне мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных состояниях это - длительное время.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию свойства накопителя энергии.

Если стержневидный рубиновый кристалл с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня переносятся в энергетическую зону (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону , но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден “накачан”), более того, совокупность атомов достигла так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий уровень , первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.

С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит из состояния в состояние и при этом отдает энергию излучения - сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристалл второй возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий и и соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области спектра.

Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением. Индуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об “усилении света индуцированной эмиссией излучения”. Отсюда произошло слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.

Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного светового излучения.

В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гранат с примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 - 810 нм, основной лазерный переход - на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)

3.3 Высокая степень когерентности требует затрат

Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потерями.

Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболее известных газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы, прежде всего, перевести на более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы неона создают при описанном синхронизированном обратном переходе в основное состояние индуцированное излучение.

Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере активный элемент конструктивно отличается от активного элемента кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем - оптически точно выверенная - вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней мере одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор (окно Брюстера).

Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение света различных длин волн. Так, лазер на He-Ne может принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотноселективной пленки на зеркало.

Таблица 1. ? Газовые лазеры

Параметр	Гелий-неоновый лазер (He-Ne)	Аргоновый лазер (Ar)	-лазер
Длина волны излучаемого света, мкм	0,6328 1,15 3,39	0,488 0,515	10,6 9,6
Достигаемая выходная мощность, Вт
КПД,%	0,01-0,1	0,01-0,2	1-20

В таблице 1 приведены наиболее известные газовые лазеры. Необходимо подчеркнуть широту области изменения их параметров. Однако все газовые лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения, которому вначале придавали большое значение, оказалось при близком рассмотрении ненужным. Гораздо важнее когерентности для световой передачи сообщений оказалась простота возможности модуляции света, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.

Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес для техники связи.

3.4 Полупроводниковый лазер, предназначенный для

микроэлектроники

Кроме названных существенными недостатками газового лазера являются его размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем более если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы, которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за редким исключением исчезли и представляют только исторический интерес. Полупроводниковый прибор господствует в широкой области электроники, требует невысоких рабочих напряжений и меньших (на несколько порядков) мощностей.

К этой элементной базе может быть отнесен только один источник света, который также построен на принципах полупроводниковой техники и изготовляется по такой же или аналогичной технологии, - полупроводниковый лазер.

Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а непосредственно электрической. К одному из p-n переходов, известных из полупроводниковой техники, прикладывается напряжение в направлении проводимости. Оно вызывает ток и путем нарушения равновесия носителей зарядов (электронов и дырок) - желаемую инверсию населенностей энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник накачан, он запас энергию.

Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного состояния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда), то излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше прикладываемое напряжение, чем больше ток через p-n переход и чем больше число возбужденных атомов. В этом состоянии такой прибор еще не лазер, а светоизлучающий диод.

Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе при наличии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного излучения. При этом так называемом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.

В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом лазере объем резонатора много меньше: p-n переход, в области которого образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при таких габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется в качестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности излома работают аналогично отражателям оптического резонатора.

4. Утопия и реальность

4.1 Фантастические возможности

Когда к началу 60-х годов появились первые пригодные к эксплуатаций лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве - когерентное электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы применяемого в технике связи диапазона частот.

Оптимистические расчеты едва или можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте Гц. Если приняты лишь 1% этого значения в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулировать данное колебание, то получим значение 3000 гГц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы передать одним единственным световым лучом!

Известно, что самый лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли одной тысячной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами и континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в каналах передачи информации.

4.2 Модуляция интенсивности излучения

свет лазер волоконный оптический кабель

Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от источника света к приемнику.

Горизонтально натянутая струна может быть возбуждена по-разному - отклонение струны может происходить или в вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первом случае о вертикальной, а во втором случае - о горизонтальной поляризации волны.

Если горизонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной временной последовательности, то это приводит к круговой поляризации электромагнитных колебаний. Для приемника колебаний на другом конце линии это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. Так же как и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации света и регистрирует только мощность света (в модели - степень отклонения струны); он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света.

Однако имеются оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их называют поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном положении относительно направления распространения луча, они становятся светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с направлением поляризации, повернутым на , они, напротив, почти полностью непроницаемы.

Только когда сам фильтр поворачивают на такой же угол (вокруг оси направления распространения света), он пропускает свет второго вида поляризации, преграждая при этом путь первому.

Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеется возможность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, в соответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала. Осуществить такую модуляцию можно с использованием известного электрооптического эффекта: если послать луч света через кристалл определенного состава и к нему перпендикулярно направлению распространения света приложить электрическое поле, то плоскость поляризации света тем больше поворачивается в зоне действия поля, чем выше его напряженность, т.е. чем выше приложенное для создания поля напряжение.

Для этой цели подходят монокристаллы дигидрофосфат аммония и дигидрофосфат калия , коротко они обозначаются как ADP или KDP кристаллы.

Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического модулятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью поляризационного фильтра.

Линейная модуляция прежде всего преобразуется в круговую модуляцию с помощью так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта модуляция в зависимости от сигнала становится более или менее эллиптической. На выходе поляризационного фильтра затем получается свет, модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено напряжение, то направление поляризации в кристалле не меняется и ориентация подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на второй фильтр полностью поглощает излучение и на выходе устройства образуется темнота.

Подобные модуляторы подходят также для очень быстрых изменений прилагаемого модулирующего напряжения. Они преобразуют передаваемый сигнал в полосе выше 1 гГц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими методами.

Модуляция интенсивности лазерного излучения без модуляции направления поляризации несомненно представляла бы собой технически более изящное решение. Кроме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней модуляции лазера) можно реализовать другие варианты. Кристалл можно было бы, например встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись значительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция). Тем самым устранялся бы существенный недостаток кристаллических модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционными характеристиками: потребность в больших напряженностях управляющего поля и соответственно высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).

В результате развития лазерной техники выяснилось, что для инженера простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостатки газового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили в системах связи потери в приемнике прямого усиления.

Поэтому газовый лазер в основном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи и освободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с учетом ряда их недостатков, которые можно было устранить только в процессе последовательной неустанной работы по их совершенствованию.

4.3 Как передают свет?

Когда задача быстрой модуляции излучения газового лазера не была еще как следует решена, все же была ясна ее принципиальная возможность. Однако в 60-е годы еще нельзя было твердо сказать о решении важной проблемы - проблемы передачи модулированного света от одного места к другому. Только в космосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в нем распространяется без ослабления. Когда удается очень сильно сфокусировать свет, т.е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для когерентного света), то можно в полном смысле слова перекрыть астрономические расстояния. (Правда, мы не говорим о скрытой стороне этого положения. Необходимо послать необычайно узкий световой луч и достигнуть далеко отстоящий пункт с максимально возможной световой мощностью, поэтому требуется очень высокая стабильность расположения передатчика, и положение приемника должно быть точно известно.)

Что касается свойств атмосферы как передающего канала для модулированных световых лучей, то она является, очевидно, ненадежной средой с сильно изменяющимся и значительным ослаблением.

Несмотря на эту не совсем ободряющую ситуацию приблизительно с 1965 по 1970 г. были испытаны все средства при рассмотрении возможностей техники оптической связи в атмосфере. Были созданы довольно простые и дешевые размером с портфель приборы, которые позволили осуществить передачу через атмосферу телевизионного изображения.

Если сравнить средние значения по многим измерениям, то можно установить: атмосферная оптическая связь рационально применима только в специальных редких случаях и только для очень коротких расстояний при весьма незначительных количествах передаваемой информации. Если речь идет только о единственном телефонном канале, то можно перекрыть несколько километров с надежностью линии передачи, равной 95%. (Никакое управление связи и никакие телефонные абоненты не смирились бы с этим!) Приблизительно в 5% времени такая линия связи прерывается из-за погоды. Высокая надежность оптической связи в атмосфере может быть достигнута только в результате сильного уменьшения длины участка.

Следующей была мысль о вакуумированной или наполненной инертным газом трубе, которую хотели прямолинейно проложить на большие расстояния и в которой луч света должен был распространяться, не ослабляясь в газах и из-за твердых частиц. Оптимисты говорили даже о совместном использовании протяженных газопроводов.

Эта идея также не смогла выдержать сурового испытания. Строго прямолинейная прокладка была утопией.

Дальнейшее усовершенствование привело к так называемым линзовым световодам. Если в трубе на расстоянии приблизительно 100 м применить стеклянные линзы диаметром около 10 см с определенным показателем преломления, то можно доказать, что световой луч, входящий в трубу даже при не строго параллельном относительно оси пробеге, постоянно будет возвращаться к середине трубы (к оптической оси) и не покинет систему линз. С помощью такой конструкции можно также добиться искривления хода луча. Этот проект был исследован и экспериментально испытан. Но оказался довольно сложным т.к. даже сложных устройств, которые автоматически управляли положением отдельных линз, оказалось недостаточно, чтобы компенсировать отклонения луча, вызванные температурными колебаниями и движением земной коры. Варианты этой идеи исследовались долгие годы. Лаборатории фирмы Bell в США заменили механически регулируемые стеклянные линзы газовыми линзами. Это короткие отрезки газонаполненной трубки с внешним электрическим нагревом, в которых за счет перестраиваемых радиальных температурных градиентов можно было достигнуть требуемой фокусировки луча по центру трубы. Но эти работы также не привели к успеху.

4.4 Распространение света при полном отражении

Все вышеперечисленные этапы развития были пройдены, хотя простой способ передачи света был давно известен: передача луча по обыкновенному стеклянному стержню, который окружен средой с малым показателем преломления (например, воздухом). Световые лучи, проходящие внутри стеклянного стержня под небольшим углом к его оси, покидают его; они полностью отражаются от стенок стержня и зигзагообразно (или винтообразно) распространяются вдоль него, пока, наконец, не выйдут на конце даже в том случае, когда стеклянный стержень не прямолинеен, а изогнут.

Это явление было использовано для того, чтобы подвести через многократно изогнутый стеклянный или пластмассовый стержень свет лампы накаливания внутрь оптических приборов, в труднодоступные места с целью освещения или индикации.

Интересный вариант применения имеется в медицине: светопроводящий волоконный жгут, состоящий из множества волосяных световодов, благодаря чему достигнута такая гибкость, при которой жгут может быть введен в полости человеческого тела. Удалось даже изготовить так называемые упорядоченные жгуты: каждое отдельное светопроводящее волокно на конце жгута находилось точно на том же месте поперечного сечения, как и на противоположном конце жгута. Эти упорядоченные жгуты делают возможным передачу изображения при условии его освещения.

Световодное волокно существовало уже в начале 60-х годов, упорядоченные и неупорядоченные жгуты были изготовлены многими ведущими оптическими фирмами и внедрены в технику и медицину. Но у них имелся существенный недостаток, который делал их с самого начала не применимыми для передачи сообщений. Их пропускная способность была слишком мала для применения в ряде технических областей. Простой расчет указывает на это. Обычное оптическое стекло обладает ослаблением света приблизительно от 3 до 5 дБ/м (при измерении в соответствующем диапазоне волн). Отношение мощностей измеряется в технике связи в децибелах (дБ). Коэффициент ослабления в децибелах равен . Ослабление светового сигнала в 20 дБ означает уменьшение световой мощности в 100 раз, ослабление в 3 дБ - уменьшение мощности вдвое.

Среди отобранных для технических целей стекол можно найти образцы с несколько лучшими значениям ослабления (от 0,4 до 0,8 дБ/м), а для кварцевых стекол можно достигнуть 0,2-0,3 дБ/м. Но даже при использовании кварцевых стекол на каждых 100 м длины световода подведенная световая мощность падает на 30 дБ, т.е. в 100-1000 раз. Основная часть света поглотилась бы световодом, превратилась бы в теплоту или была рассеяна через боковую поверхность световода.

Хотя ослабление в медных проводниках не многим меньше, они перекрывают расстояния (в зависимости от конструкции и вида передаваемой информации) в несколько километров, пока сигнал не ослабнет настолько, что окажется необходимым включить промежуточный усилитель (повторитель), который усиливает сигнал и заново подает его в кабель. Много таких усилителей располагают, как правило, между устройствами двух телефонных абонентов, однако в оптической линии связи расстояние между двумя соседними усилителями, называемое также длиной усилительного участка, составляет менее 1 км, а для указанных выше значений ослабление достигает 100 м. С технико-экономической точки зрения такая линия передачи не приемлема.

Для применения в технике связи необходимо было уменьшить ослабление в световоде. При этом можно было бы удовлетвориться значением 30 дБ/км вместо 500 для имеющихся оптических стекол. Этого было бы достаточно для перекрытия расстояния в 1 км. Специалисты в области производства стекла еще в середине 60-х годов считали такое требование абсолютной утопией и указывали на высокий уровень технологии оптических стекол, который едва ли можно было улучшить. Разработки начались с дорогостоящих и продолжительных работ над световодами со стеклянными и газовыми линзами. К счастью, как это уже неоднократно бывало в истории техники, оптимисты опять не поверили оценкам экспертов. Они начали работать над улучшением “неулучшаемых” оптических стекол.

В 1970 г. в результате достижения высокой чистоты исходного материала американской фирме Corning Glass удалось выплавить стекло с ослаблением около 30 дБ/км. Для этой цели необходимо было снизить относительное содержание металлических компонентов в исходном материале стекла до и менее.

Двадцать лет назад возникновение полупроводниковой техники поставило технологию материалов перед совершенно новыми проблемами, то же произошло и при разработке технологии получения стекла.

С этого момента все другие решения были забыты. Целью стал максимально прозрачный световод. Достигнутые в лаборатории, а вскоре и в опытном производстве значения ослабления заметно снизились, и пятью годами позже были получены образцы с ослаблением 5 дБ/км, т.е. гораздо меньше, чем надеялись. Открылись новые пути: в определенны областях длин волн ослабление измерялось значениями, гораздо меньшими 1 дБ/км; длины усилительных участков, о которых в области электрической кабельной связи приходилось только мечтать, в системах оптической связи стали предметом обсуждения.

В таблице приведены ослабление и глубина проникновения (потери мощности 50%) для различных светопрозрачных сред.

Таблица 2. ? Ослабление и глубина проникновения для различных

светопрозрачных сред

Среда	Ослабление, дБ/км	Глубина проникновения при ослаблении 30 дБ, м
Оконное стекло Оптическое стекло Густой туман Атмосфера над городом Световоды серийного производства Опытные лабораторные световоды	50 000 3 000 500 10 3 0,3	0,65 10 60 3 300 10 000 100 000

В середине 70-х годов работы по передаче сигналов по волоконно-оптическим линиям приобрели широкий размах. Техника оптической связи родилась во второй раз - и теперь окончательно.

5. Световод - посредник между передатчиком и приемником

5.1 Ослабление означает потерю световой энергии

Уменьшение потерь света являлось ключевой первоочередной проблемой техники оптической связи. Два фактора являются основными причинами этих потерь: поглощение света и рассеяние света.

Уже при обсуждении лазерного эффекта мы столкнулись с тем, что атомы реагируют селективно на длину волны излучения в зависимости от структуры оболочки и открытого Планком соотношения между энергией и частотой. Таким образом, следует ожидать, что и прозрачный исходный материал нашего световода, прежде всего лишенный примесей, прозрачен и не имеет значительных потерь только в определенном диапазоне частот. На других длинах волн возникает явление резонанса, при этом световая энергия поглощается и превращается в теплоту.

Фактически чистое кварцевое стекло , которое предпочтительно в качестве исходного материала для световода, обнаруживает такие резонансы в области длин волн 10-20 мкм. Эта область лежит за пределами области длин волн, используемых сегодня в технике связи. В спектральной области, в которой излучают современные лазеры и светоизлучающие диоды, максимальное значение ослабления в мало, но для длин волн свыше 1,6 мкм его действие ощутимо и возрастает с увеличением длины волны.

К сожалению, требуемая чистота кварцевого стекла практически едва достижима. Как правило, светопроводящий материал более или менее загрязнен. При этом прежде всего следует назвать ионы металлов (железа, хрома, кобальта, меди). Их долю в необходимо уменьшить до значений , на столько подавляя максимумы поглощения энергии этими примесными материалами, чтобы достигнуть коэффициента ослабления около 1 дБ/км и менее. Исключительно важна также роль ионов ОН. Их главный резонанс имеет длину волны около 2,7 мкм и со своими гармониками (второй, третьей и т.д.) является причиной более или менее значительных максимумов ослабления на длинах волн 1,35, 0,95 и 0,75 мкм. А эти значения довольно близки к длинам волн современных лазеров на GaAs и светоизлучающих диодов и поэтому с точки зрения связи представляют большой интерес. В связи с этим “обезвоженность” стекла чрезвычайно важна.

Вторым существенным фактором влияния на потери в световоде является рассеяние света. Оно возникает из-за неравномерностей, которые образуются прежде всего в течение охлаждения в процессе плавки стекла. Их количественная доля в общем ослаблении различна для стекла и газа и зависит от технологии и от применяемого исходного материала. Во всяком случае типичным является сильный спад мощности с увеличением длины волны, а именно на четверть значения. Итак, чтобы получить меньшие значения потерь на рассеяние, целесообразно применять возможно большие длины волн.

5.2 Разница во времени пробега ограничивает пропускную

способность линии связи

Упомянутые в п. 4.1 оптимистичные прогнозы об огромной пропускной способности оптических кабелей, связи исходят из соображения, что ширина полосы передаваемого сигнала всегда должна быть несколько меньше, чем сама несущая частота.

Пропускная способность стеклянного волокна не безгранична.

Чтобы передать телефонный разговор как последовательность импульсов, необходимо передать большое число (конкретно 64 000) двоичных знаков в секунду (64 000 бит/с или 64 кбит/с). Чтобы преобразовать непрерывно изменяющийся ток микрофона в двоичный сигнал, его необходимо прежде всего воспроизвести с помощью импульсов. Найденные значения амплитуды теперь будут изображаться двоичным числом и посылаться как двоичные сигналы между двумя посылками импульсов. Со стороны приемника следует такое же обратное преобразование. Чтобы передать сигнал с более высоким качеством, необходимо различать по меньшей мере 256 амплитудных значений микрофонного тока. Поэтому требуется восьмикодовая система (8 двоичных знаков на кодовое слово) для каждого значения импульсной посылки. Для передачи одного движущегося телевизионного изображения требуется скорость передачи 80 млн. бит в секунду (80 Мбит/с).

В качестве пропускной способности линии - все равно из меди или стекла - принимается наибольшая скорость передачи сигнала через эту линию, измеренная в битах в секунду (бит - двоичная цифра).

Единица двоичной информации может быть приблизительно пересчитана в соответствующую ширину полосы частот, как обычно делается в аналоговой передающей технике для обозначения характеристики сигналов или кабелей. Так как для передачи информации со скоростью 2 бит/с теоретически требуется ширина полосы по крайней мере 1 Гц (практически около 1,6 Гц), можно приблизительно определить скорость передачи сигнала или пропускную способность в битах в секунду и соответствующую ей ширину полосы пропускания в герцах.

Возьмем для примера двоичный закодированный телефонный сигнал. Каждый единичный сигнал этой последовательности (единичный импульс тока или света) должен быть не длиннее, чем 1/64000 с, чтобы не мешать следующим сигналам. Пропускная способность линии принципиально тем выше, чем короче импульсы можно по ней передать.

Точно так же существуют границы и для световода. Принцип его действия ранее упоминался: свет распространяется зигзагообразно в светопроводящем сердечнике благодаря полному внутреннему отражению от стенок, к внешней стороне которых примыкает среда с малым коэффициентом преломления - оболочка. Это полное отражение связано с одним условием. Угол между световым лучом и оптической осью световода должен быть не более предельного угла полного внутреннего отражения . Он определяется отношением показателей преломления в сердечнике , и в оболочке :

Можно было бы отдать предпочтение волокну с большим различием показателей преломления, так как оно, очевидно, может воспринять и передать больше света от источника с большим углом излучения. Это преимущество было бы действительно решающим, если бы требования стояли только в возможно более высокой пропускной способности световода.

5.3 пропускная способность волоконных световодов

В одномодовых (мономодовых) и многомодовых световодах разная (в одномодовых больше из-за их толщины стержня). Вызванный различной длиной пробега в световоде временной разброс элементов выходного сигнала и как следствие рассеяние части энергии на выходе световода называют модовой дисперсией. К сожалению, она является не единственной причиной ограничения пропускной способности. Необходимо еще добавить так называемую материальную дисперсию. Она состоит в том, что показатель преломления стержня световода зависит от длины волны. Длинноволновые красные лучи отклоняются меньше, чем коротковолновые синие. Этот эффект не имел бы значения для техники световой связи, если бы применяемые источники излучали свет только одной длины волны. К сожалению, этого не бывает. Хотя ширина спектра полупроводникового лазера относительно узка, он излучает свет в некотором интервале длин волн шириной несколько нанометров. Светоизлучающий диод в этом отношении значительно превосходит его - приблизительно на 30-40 нм. Ограничение этой полосы невозможно без потери энергии. Именно эти различные спектральные составляющие излучения проходят через световод с различной скоростью , что, конечно, приводит к уширению импульса и ограничивает пропускную способность световода.

В волокне со ступенчатым профилем показателя преломления преобладает модовая дисперсия вследствие большой разницы времен пробега между осевым и граничными лучами. В градиентном световоде с оптимальным профилем показателя преломления обе дисперсии становятся приблизительно одинаковыми. Напротив, в мономодовом волокне модовая дисперсия не имеет значения и только материальная дисперсия определяет характеристику передачи.

И третий фактор, влияющий на качество передачи - волноводная дисперсия. Она возникает только в мономодовых световодах, а именно потому, что единственная способная к распространению мода имеет скорость распространения, зависящую от длины волны.

Анализ причин и влияния материальной дисперсии на характеристики передачи позволили сделать выводы, которые представляют исключительный интерес для практики и оказывают решающее влияние на дальнейшее развитие световодной техники. Прежде всего выяснилось, что уширение импульса, вызванное материальной дисперсией, в значительной степени определяется микроструктурой зависимости показателя преломления данного светопроводящего материала от длины волны. Если на графике такой зависимости имеется участок, на котором кривая стремится к нулю, то на этой длине волны можно ожидать минимального уширения импульса и пренебречь влиянием материальной дисперсии.

Действительно, на кривых профиля показателя преломления можно найти такую точку, например, для кварцевого стекла при . Это означает, что если среди узкополосных источников света имеются такие, для которых материальная дисперсия равна нулю, то соответственно пропускная способность принимает максимальное значение.

Исходя из значений материальной дисперсии можно рассчитать для различных длин волн уширение импульса и из этого затем скорость передачи для лазера (спектральная ширина около 2 нм) и для светоизлучающего диода (спектральная ширина около 40 нм). Даже для светоизлучающего диода в этой области длин волн можно ожидать скорости передачи свыше 1 Гбит/с на 1 км. Для лазеров экспериментально было получено значение 1,4 Гбит/с на 1 км! Понятно, что эта область длин волн нулевой дисперсии световода представляет большой интерес.

Только что названные характеристики передачи реальны и указывают на технические возможности, которые, имеются в простых многомодовых световодах и сегодня еще не исчерпаны. Нельзя забывать, однако, что столь высоких значений скорости передачи можно достигнуть только путем обеспечения оптимальных параметров светоизлучающего диода для определенной длины волны, которые для других длин волн создают худшие условия передачи. Кроме того, требуется соблюдение очень малых, допусков при изготовлении световода для обеспечения требуемого профиля показателя преломления, что несомненно удорожает световод.

Интересны и важны также изложенные выше соображения о том, что в любом случае не может быть создан световод с максимальной пропускной способностью. Для большинства областей пропускная способность применения световода достаточна. При этом оказывается возможным применить более простые электрические соединители и получить больший КПД при соединении и т.д.

5.4 Оптические кабели, их конструкции и свойства

Одиночная двухпроводная цепь, одиночная коаксиальная пара являются в электрической технике связи редким явлением. Как правило, электрический кабель состоит из нескольких пар. Общая броня защищает их от окружающего влияния различного рода - повреждения грызунами, влажности и механических воздействий.

Световод, так же как и электрический проводник, помимо применения в качестве одиночного проводника света включается в состав оптического кабеля, и к нему предъявляются требования, аналогичные требованиям, предъявляемым к электрическим кабелям.

Однако электрические проводники и световоды настолько сильно различаются, что было бы удивительно, если бы электрические и оптические кабели не отличались между собой по конструкции, способам монтажа, прокладки и эксплуатации. Вместе с тем имеется многолетний опыт механической защиты тонких проводников (медные провода толщиной в десятые доли миллиметра используются достаточно широко), который может быть использован для защиты чувствительных стеклянных волокон.

Когда речь идет о различии между световодами и медными проводниками, необходимо назвать основное свойство, которое до сих пор вообще еще не называлось: абсолютная нечувствительность световода по отношению к помехам от электрического и магнитного полей. Здесь можно было бы сказать, что экранирование электрических кабелей для защиты их от внешних электромагнитных помех абсолютно излишне в оптических кабелях.

Основную роль играет, конечно, сам материал - стекло, которое выступает теперь в качестве заменителя ценного цветного металла - меди. Этот материал-заменитель обусловливает большой экономический выигрыш. Запасы меди в мире постоянно истощаются, а цены растут. По некоторым прогнозам еще на исходе столетия месторождения на суше, известные сегодня, будут исчерпаны. Основной материал для стеклянных оптических волокон - кварцевый песок - имеется в больших количествах. В технике связи несколько килограммов меди могут быть заменены 1 г стекла высокой очистки, если за основу принять одинаковую пропускную способность кабеля.