Волоконно-оптические линии связи
ета), 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 Р1 / Р2, измеряется в технике связи в децибелах (дБ). Коэффициент
ослабления в децибелах равен 10 log (Р1 / Р2). 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 Coming 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 10-8 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 определенных 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.
|Среда |Ослабление, |Глубина |
| |дБ/км |проникновения при |
| | |ослаблении 30 дБ/м |
|Оконное стекло |50000 |0,65 |
|Оптическое стекло |3000 |10 |
|Густой туман |500 |60 |
|Атмосфера над городом |10 |3300 |
|Световоды серийного производства |3 |10000 |
|Опытные лабораторные световоды (( = |0,3 |100000 |
|1,6mkm) | |
| | скачать работу |
Волоконно-оптические линии связи |