Волоконно-оптические линии связи
Волоконно-оптические линии связи
История световой связи началась еще в доисторические времена, когда дозорные сигнальными кострами предупреждали своих о приближении врага. В начале XIX столетия Наполеон вложил немало средств в «зеркальный телеграф» вдоль побережья Атлантики. Таким образом, император хотел получать оперативную информацию о нарушителях «континентальной блокады», чтобы беспощадно карать этих пособников англичан.
Но изобретение радиосвязи, казалось, похоронило саму идею световой связи. Однако постепенно выяснилось, что при всех достоинствах традиционных видов связи каждому из них присущ и целый ряд недостатков, которые становятся все более чувствительными по мере нарастания объемов передаваемой информации. Несмотря на новейшие технологии, позволяющие значительно уплотнить передаваемую по кабелю информацию, магистральные телефонные линии все равно часто оказываются перегруженными. Примерно то же можно сказать о радио и телевидении, в которых информационные сигналы переносятся с помощью электромагнитных волн: все возрастающее количество телеканалов и радиостанций, вещательных и служебных, привело к возникновению помех, к ситуации, получившей название «тесноты в эфире». Это стало одним из толчков к освоению все более коротковолновых диапазонов радиоволн.
Еще один недостаток традиционных видов связи состоит в том, что для передачи информации вообще невыгодно пользоваться волнами, излучаемыми в свободное пространство. Ведь энергия, приходящаяся на какую-то определенную площадь фронта такой волны, убывает по мере увеличения фронта волны. Для сферической волны, то есть такой, которая распространяется равномерно во все стороны от источника, ослабление обратно пропорционально квадрату расстояния от источника волны до приемника.
Эра современной оптической связи началась в 1960 году после создания первого лазера. Изобретение лазеров вообще породило надежду на быстрое и легкое преодоление проблем «эфирной тесноты» Появилась надежда на то, что использование микронных волн видимого света для нужд связи вместо сантиметровых и миллиметровых радиоволн позволит почти беспредельно расширить объемы передаваемой информации.
Увы, уже первые опыты развеяли радужные иллюзии. Выяснилось, что земная атмосфера очень активно поглощает и рассеивает оптическое излучение. А потому лазеры могут использоваться для нужд связи лишь на очень небольшом расстоянии: в среднем не более километра.
Так обстояли дела до тех пор, пока в 1966 году двое японских ученых Као и Хокэма не предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях.
Согласно законам оптики, если направить световой луч из более плотной среды в менее плотную, то значительная часть его отражается обратно от границы двух сред. При этом, чем меньше угол падения луча, тем большая часть светового потока окажется отраженной. Путем эксперимента можно подобрать такой пологий угол, при котором отражается весь свет и лишь ничтожная его часть попадает из более плотной среды в менее плотную. Свет при этом оказывается словно заключенным в плотной среде и распространяется в ней, повторяя все ее изгибы. Лучи, идущие под малым углом к границе двух сред, полностью отражаются от нее. Таким образом, оболочка прочно удерживает их, обеспечивая светонепроницаемый канал для передачи сигнала практически со скоростью света.
Будь световод идеальным, изготовленным из абсолютно прозрачного и однородного материала, световые волны должны распространяться не ослабевая. На самом деле практически все реальные световоды достаточно сильно поглощают и рассеивают электромагнитные волны из-за своей непрозрачности и неоднородности.
Понадобилось целое десятилетие для того, чтобы создать лабораторные образцы волоконных световодов, способных передать на один километр один процент введенной в них мощности света. Следующей задачей было изготовить из такого волокна световодный кабель, пригодный для практического применения, разработать источники и приемники излучения.
Радикальное изменение ситуации было связано с созданием двухслойных световодов. Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Подобные световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения. Но для этого необходимо создать совершенную границу между жилой и прозрачной оболочкой. Наиболее простая технология изготовления световода состоит в том, что стеклянный стержень-сердцевина вставляется в плотно подогнанную стеклянную трубку с меньшим показателем преломления. Затем эта конструкция нагревается.
В 1970 году фирма «Корнинг гласс» впервые разработала стеклянные световоды, пригодные для передачи светового сигнала на большие расстояния. А к середине 1970-х годов были созданы световоды из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света в которых уменьшалась вдвое лишь на расстоянии шести километров.
Кроме световода волоконно-оптическая система связи включает в себя блок оптического передатчика (в котором электрические сигналы, поступающие на вход системы, преобразуются в оптические импульсы) и блок оптического приемника (принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы). Если линия имеет большую протяженность, на ней действуют также ретрансляторы – они принимают и усиливают передаваемые сигналы. В устройствах для ввода излучения в волоконные световоды широко применяются линзы, которые имеют очень маленький диаметр и фокусное расстояние порядка сотен и десятков микрон. Источники излучения могут быть двух типов: лазеры и светоизлучающие диоды, которые работают как генераторы несущей волны. Передаваемый сигнал модулируется и накладывается на несущую волну точно так же, как это происходит в радиотехнике.
В марте 2000 года исполнилось 70 лет академику Жоресу Алферову. В этом же году Алферов получил Нобелевскую премию. Именно благодаря российскому ученому, создавшему в 1967 году первые полупроводниковые гетеролазеры, работоспособные при комнатной температуре, стали явью две важнейшие информационные технологии: лазерные диски памяти и волоконно-оптические линии связи. Ведь без передатчика световоду ничего не передашь.
Самый эффективный способ передачи – в цифровом виде. При этом опять-таки совершенно неважно, какая информация передается таким образом: телефонный разговор, печатный текст, музыка, телевизионная передача или изображение картины. Первым шагом для преобразования сигнала в цифровую форму является определение его значений через интервалы времени – этот процесс называется дискретизацией сигнала по времени.
Выяснилось, что если временной интервал по крайней мере в два раза меньше наивысшей частоты, содержащейся в спектре передаваемого сигнала, то этот сигнал может быть в дальнейшем восстановлен из дискретной формы без всяких искажений. То есть вместо непрерывного сигнала без ущерба для передаваемой информации можно подавать набор очень коротких импульсов, отличающихся друг от друга только амплитудой.
Поскольку все они имеют одинаковый вид и сдвинуты друг относительно друга на один и тот же временный интервал, то можно передавать не весь сигнал, а лишь значение его амплитуды. То есть значение каждого импульса можно интерпретировать как число в двоичном коде. Значение этого числа и передается по линии связи. Поскольку для передачи каждого двоичного числа необходимы всего две цифры – 0 и 1, то задача очень упрощается: 0 соответствует отсутствию сигнала, а 1 – его наличию. Восстановление переданного сигнала происходит в обратном порядке. Подача сигнала в цифровом виде очень удобна, так как фактически исключает всякие искажения и помехи.
Достоинства и преимущества ВОЛС очевидны. Прежде всего, волоконно-оптические кабели очень устойчивы к помехам и имеют малый вес. Но самое важное их достоинство состоит в том, что они имеют огромную пропускную способность – в единицу времени через них можно пропускать такие громадные объемы информации, какие невозможно передать ни одним из известных сейчас способов связи.
В 1988 году была введена в действие первая трансатлантическая ВОЛС ТАТ-8. К 1998 году ее пропускную способность довели до 600000 одновременных телефонных разговоров против 36 у первой проводной линии, проложенной там же в 1956 году.
В 2000 году введена в эксплуатацию волоконно-оптическая линия связи «Москва – Санкт-Петербург – Стокгольм», давшая России еще один доступ в Интернет. «Огромную пропускную способность нового канала, – пишет в журнале «Эхо планеты» Юрий Носов, – (2,4 Гбит/с, то есть по миллиону простых "электронных писем" ежеминутно) провайдерам еще предстоит "переварить", а в кулуарах симпозиума лишь снисходительное пожимание плечами: "Всего-то?" Ученых понять можно: только что им был представлен новый созданный в Физтехе лазер, с которым, по утверждению докладчика, вполне достижима «терабитная» скорость передачи информации (напомним, 1 Тбит = 1000 Гбит, так что речь ведется об увеличении пропускной способности в сотни раз!). Это достигается не только повышением быстродействия лазера, но и использованием технологии так называемого волнового (или спектрального) уплотнения. Технология основана на том, что по одному волокну передаются одновременно несколько десятков различных световых потоков.
Заметим, однако, что специалистов все это не очень-то волнует, и вот почему. Во-первых, о возможности достижения «терабитной» скорости было заявлено еще лет 10 тому назад, а во-вторых, сами дальние, или магистральные, линии уже не в фокусе всеобщего интереса. Их напрокладывали столько, что в США, например, от любого дома до ближайшей магистрали не более десятка-другого километров. Поэтому внимание переключается на то, с чего все и начиналось, – на локальные сети, на короткие и очень короткие ВОЛС. Только теперь это будет доведено до абсолюта – оптоволокно в каждый дом! Полная «цифровизация» информации станет явью, и главная проблема, которую теперь предстоит решить ученым и технологам – это создание экономичного, сверхнадежного и очень дешевого, «народного» лазера».
Число пользователей ВОЛС в системе Интернет превысило миллиард человек. И можно смело утверждать, что без волоконно-оптических линий связи сегодня не было бы и Интернета. Большая часть того, о чем здесь говорилось, будет реализовано в ближайшие годы, по крайней мере, в развитых странах. Но исследования в области ВОЛС продолжаются.
Юрий Носов пишет: «Связь по волокну называют оптической, а не световой (хотя волокна нередко называют световодами или светопроводами), и вот почему. Еще в самом начале исследований было установлено, что, чем короче длина волны света, тем сильнее он поглощается в волокне. Поэтому, начав с «красного» света и не получив удовлетворительных результатов, перешли «за» красный, в область невидимого инфракрасного излучения, но, как и свет, относящегося к оптическому, и вскоре остановились на излучении с длиной волны около 1,5 мкм (микронов). Под такой диапазон разработали специальные гетеролазеры, именно на них и основываются современные ВОЛС. Если инфракрасный луч проходит в волокне с небольшим затуханием 10 км, то красный свет (длина волны 0,65 мкм) пройдет лишь 0,5 км, а синий (0,43 мкм) и вообще меньше 50 м.
А что если пойти еще дальше в инфракрасную область? Оказалось, там потери излучения опять возрастают – таковы особенности кварца. Но ведь на кварце свет клином не сошелся. И действительно, синтезировали такие составы, которые почти без поглощения могут пропустить излучение на 1000 км! Но для этого надо перейти к длинам волн около 3 мкм, а это фактически уже область теплового излучения. И если бы удалось создать волокна и лазеры на этот диапазон длин волн, то можно было бы не гнать горячую воду от ТЭЦ, а передавать «сухое» тепло по волокнам прямо в квартиры, при этом практически без потерь и без осточертевших зимних аварий из-за разрыва труб. Это вам не ВОЛС с виртуальным миром их потоков информации, это уже "совсем другое кино". Посмотрим ли мы его?»