СОДЕРЖАНИЕ
Глава первая
СВЕТ ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ
Глава вторая
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
Глава третья
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
Глава четвертая
УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ
4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
4.2 МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ
4.3 КАК ПЕРЕДАЮТ СВЕТ?
4.4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ПРИ ПОЛНОМ ОТРАЖЕНИИ
Глава пятая
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
Глава шестая
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?
Глава седьмая
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?
Глава восьмая
МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ
Глава первая
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.
Глава вторая
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.
Глава третья
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.
В таблице 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 светоизлучаючий 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.
Глава четвертая
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
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.
Глава пятая
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 ( 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.
Из этого соотношения следует еще одно преимущество: оптические кабели легче электрических. Это особенно заметно в кабелях с высокой пропускной способностью — из-за малого диаметра световода. Ясно, что оба эти свойства являются, непосредственным преимуществом во многих областях применения.
Наконец, необходимо указать на фактор гальванической развязки передатчика и приемника. В оптической системе они электрически полностью изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении электрических кабелей, теряют силу.
Наряду с этими полезными параметрами необходимо конечно, назвать другие, по которым оптические волокна уступают меди и которые должен учитывать конструктор кабелей.
Это прежде всего чувствительность незащищенного волокна к водяному пару. Это критическое свойство было очень скоро обнаружено, но было также обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой толщиной несколько микронметров непосредственно в процессе вытягивания волокна.
Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются уже через несколько часов или дней.
Механический предел прочности при разрыве для волокна довольно высок и соответствует прочности стали. Однако стекло хрупко, изгибы с малым радиусом волокно не выдерживает и ломается. Но и этот недостаток относителен: стекловолокно, снабженное упомянутым тонким защитным слоем, вполне можно обмотать вокруг пальца, а некоторые сорта – даже вокруг тонкого карандаша. Учитывая это типичное свойство стекла, необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические перегрузки световода. Но опасны не только разрушение волокна, но и микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на шероховатой поверхности в условиях приложения растягивающей силы, и могут вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He—Ne лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на световые потери, вызванные микроизгибами.
Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель. На рисунке показана повивно-концентрическая конструкция, она применяется очень часто. При этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них накладывается пористая изоляция.
При колебаниях окружающей температуры от конструкции кабеля существенно зависят механические силы, которые действуют на световод. Единственным слабым местом, кажется, является оболочка волокон со ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, чем будут нарушены условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся дополнительные потери на излучение.
Глава шестая
ИСТОЧНИКИ СВЕТА — СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И ЛАЗЕР
6.1 ЧТО ОЗНАЧАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ?
Известным примером устройства, работающего в импульсном режиме, является радиолокационная станция. Радиолокационный передатчик посылает через антенну очень короткий высокочастотный импульс. Импульс пробегает пространство со скоростью света, частично отражается от металлического объекта и через определенное время возвращается в радиолокационную станцию. Между тем радиолокационная станция переключается на прием и, получив отраженный импульсный сигнал, вычисляет дальность до объекта, исходя из разницы времени между передачей и приемом импульса. Процесс периодически повторяется, но с относительно большими интервалами, так что в большинстве случаев говорят об одном импульсном сигнале. Даже когда радиолокационная установка посылает 1000 имп/с, интервал между импульсами (1 мс) намного превышает длительность импульса, которая обычно короче 1 мкс.
Тот же принцип применяется в оптической технике связи, а именно для важного случая поиска места повреждения световодного кабеля. Оптический локационный импульс посылается в испытуемый кабель, а в качестве индикатора повреждения используется отраженный свет. Отражения появляются при этом от всех неоднородностей cветовода, особенно там, где световод разрушен. Из разности времен пробега, измеренной на осциллографе, можно вычислить место повреждения кабеля с точностью до 1 м.
Примером передачи непрерывного сигнала является передача по световоду непрерывного телефонного или видео сигнала. Из непрерывного электрического сигнала при этом получается такой же непрерывный световой сигнал, который колеблется между значениями минимальной и максимальной световой мощности . Электрический ток за счет полупроводникового лазера или светоизлучающего диода образует выходную мощность Р. При этом электрический сигнал может быть биполярным, т. е. может принимать положительные и отрицательные значения (например, речевой сигнал или любое другое переменное напряжение), или однополярным (телевизионный сигнал, выходной сигнал кодового модулятора). Но световой сигнал в обоих случаях однополярный (отрицательная световая мощность невозможна).
Свет лазера и светоизлучающего диода окажется таким образом промодулированным по интенсивности сигналом, воздействующим на ток диода. Существенным различием между этой непрерывной работой светового источника и импульсным режимом являртся то, что при импульсной работе средняя световая мощность очень мала по сравнению с пиковой мощностью . При непрерывной работе (или “в режиме непрерывного излучения”) средняя световая мощность составляет примерно половину пиковой мощности, т. е. она того же порядка, что и максимальная мощность.
Здесь необходимо указать на следующее: бинарный сигнал (например, выходной сигнал импульсно-кодового модулятора согласно) едва ли можно назвать импульсной последовательностью с точки зрения обработки сигнала; наоборот, относительно модуляции передатчика его нужно рассматривать как сигнал непрерывного излучения. Его средняя световая мощность равна точно /2, так как обычно длина и вероятность появления сигналов 0 и 1 одинаковы.
В световодной технике связи двоичный сигнал играет исключительную роль, потому что как светоизлучающие диоды, так и лазеры имеют более или менее нелинейную зависимость мощности от тока. Двоичные сигналы к этому нечувствительны, а непрерывные искажаются из-за нелинейности.
Таким образом, нужно следить за тем, чтобы, как правило, передача сообщении (непрерывными и даже двоичными сигналами) шла только с помощью световых передатчиков, которые пригодны и для непрерывного режима работы.
6.2 ТИП ИСТОЧНИКА ОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ
Первые полупроводниковые лазеры не могли работать в непрерывном режиме, во всяком случае при комнатной температуре. Причиной этого были большие потери мощности.
Лазерный эффект начинается сразу, как только индуцируемая световая мощность станет больше, чем потери на световом пути в объемном резонаторе. Необходимая для этого плотность тока возбуждения в активном элементе лазера, называемая порогом генерации лазера, ниже порогового тока: лазер еще не генерирует стимулированного излучения. Эта пороговая плотность тока зависит от внутренней структуры полупроводникового лазера в окрестности р-n перехода, особенно от применяемых материалов и концентрации примесей.
В первой и самой простой конструкции, так называемом гомолазере, рекомбинация носителей заряда и генерация света происходили в довольно широкой области вокруг р-n перехода. Поэтому потери на ослабление в объемном резонаторе были очень велики. Для превышения порога генерации должны были протекать значительные токи, которые приводили к сильному нагреву лазерного диода. Такие диоды можно было использовать в лазерах только в импульсном режиме. Существенное уменьшение пороговой плотности тока и потерь мощности было получено в результате введения простой и двойной гетероструктур. С этой целью р-n переход имеет с одной или двух сторон дополнительные слои, в силу чего благодаря свойствам их материала и примесям толщина электрически и оптически активной зоны лазерного диода сильно сужается. Этим ограничивают электрический диапазон возбуждения и одновременно рекомбинацию носителей заряда и генерацию света. Кроме того, путем изменения показателя преломления в области р-n перехода достигается определенный ход лучей света и в результате этого — уменьшение оптических потерь.
С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые позволили получить импульсный режим при комнатной температуре.
Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт, правда, в предположении хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.
6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без объемного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера, применяются для конструирования светоизлучающих диодов. При этом индуцируемое в результате рекомбинации носителей зарядов световое излучение распространяется во всех направлениях и задерживается в элементе только вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или из-за неизбежных контактных поверхностей электродов и поверхностей охлаждения.
В простейшем случае здесь можно использовать и выводить излучение, распространяющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются краевыми излучателями. Если устроить в электроде окно, то можно направить излучение перпендикулярно плоскости активной зоны и получить поверхностный излучатель.
Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для светоизлучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.
6.4 СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее гарантированное для указанного времени значение даже за счет повышения тока в диоде.
Если оптический передатчик, например на узле связи, должен проработать без замены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок службы около 100000 ч (считая продолжительность года равной приблизительно 10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к действительному. Хотя для них редко называют гарантийные сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожалению, для, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970 г. в лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны различные структуры и геометрии, приемлемые для конструирования и изготовления лазеров непрерывного излучения, работающих при комнатной температуре.
Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких условиях (как правило, при очень высоких температурах, ). На основании этого судят об ожидаемом сроке службы в нормальных условиях. При этих предположениях в конце 70-х годов многими изготовителями предсказывались ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 ч, а в отдельных случаях — свыше 1 млн. ч. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует гарантия наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.
Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют оптимистические прогнозы.
Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться от привычной в настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую мощность.
6.5 ЛАЗЕР ИЛИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?
В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом. Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.
Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов источников с годами она будет, естественно падать, но все же светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле лазера со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь необходимой для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световодами с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно большую часть излучаемого света.
Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции. Светоизлучающие диоды прежде всего “медлительнее” лазеров. В зависимости от конструкции имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть модулированы частотами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде более высокой выходной мощности (см. табл.).
Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот. Это свойство может играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в минимальных пределах.
Глава седьмая
СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ
7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию (передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).
Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника, которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в акустические или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы нет. Все существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет электрического тока.
На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен, но еще не готов к техническому воплощению.
Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах). Этот восстановленный электрический сигнал вторично используют для управления лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает усиленный световой сигнал.
7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
В оптических системах связи, в которых на выходе каждого отдельного световода должен быть установлен чувствительный фотоприемник, вводятся два прибора которые могут, быть выполнены методом микроэлектронной технологии. Речь идет о p-i-n фотодиоде и лавинном фотодиоде. Оба используют внутренний фотоэффект, который проявляется в этом специальном случае непосредственно в окрестностях р-n перехода.
7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
Понятие, которое имеет решающее значение для функционирования каждой системы связи, — помехи.
Насколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети питания или отказов каких-либо элементов, встречающиеся в каждом приборе или устройстве, настолько же не одинаковы помехи, вызванные электромагнитными полями. Это поля, создаваемые плохо экранированными электродвигателями, радиоизлучениями автомобилей, часто вызывающими сильные помехи в радио или телевизионной аппаратуре, и т. ц.
В условиях отсутствия шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать длину усилительного участка. Требуется только соответственно увеличивать мощность сигнала, поступающего на вход приемника. Но шум существует и уменьшает чувствительность каждого приемника и возможности каждого усилителя. Если мощность полезного сигнала на входе меньше мощности помех, то сигнал перекрывается ею и не может быть выделен приемным устройством или усилен. Даже когда сигнал и помехи имеют почти одинаковую мощность, шум становится довольно значительным. Причины и источники шумна разнообразны. К ним относятся корпускулярные шумы электрического тока (дробовой шум), температурные шумовые процессы, шумы квантования световых пучков. Источник света сам вносит в систему шумовые составляющие, добавляют их также фотодиод и оконечный электронный усилитель. Если используется лавинный фотодиод, то возникают дополнительные шумовые составляющие из-за эффекта умножения в этом элементе.
Если рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то можно установить, что различные шумовые источники проявляют себя в нем тем или иным способом. Вместо чистой формы сигнала, которой модулировалась выходная мощность светового сигнала передатчика, на вход приемника поступает сигнал, амплитуда которого случайным образом более или менее меняется вблизи данного значения. Средние значения соответствуют истинной форме переданного сигнала, но мгновенные значения отклоняются от заданного вследствие влияния помех. Первоначальный сигнал можно лишь приблизительно выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.
7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТ БЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?
Основная задача — обеспечение того, чтобы посланный сигнал с достаточной для соответствующей цели точно воспроизводился в приемнике, т. е. разработчик будет пытаться по возможности приблизиться к первоначальной (правильной) форме сигнала путем получения среднего значения по возможно большому количеству мгновенных значений сигнала, искаженного помехой. Для этого служат, различного рода электрические фильтры. Конечно, для усреднения амплитуды сигнала можно использовать только такое количество мгновенных значений сигнала, чтобы сами полезные изменения сигнала не были сглажены и не оказались из-за этого потерянными. То, что остается после этой фильтрации, более не уничтожается. С этим разработчик системы должен считаться и, например, выбирать длину передающей линии настолько короткой, чтобы мощность сигнала не оказалась близкой к мощности шумового фона.
Для инженера связи из этой модели формирования среднего значения следует важный вывод: качество передачи сигнала при одинаковом уровне помех тем лучше, чем медленнее изменяется сигнал (так как тем большими могут быть интервалы времени усреднения и тем точнее получаемый результат) и чем меньше необходимая для данной цели ширина полосы частот (пропускная способность).
Из этих рассуждений ясно, что для фотоприемника имеется нижняя граница мощности принимаемого сигнала. На этой границе мощность сигнала в определенное число раз больше суммарной мощности шумов, которые появляются в приемнике. Этот коэффициент обозначается как отношение сигнал/шум и выражается в децибелах. Если необходимо передать двоичные сигналы, то достаточно, например, отношения сигнал/шум (в электрическом сигнале), равного 18 дБ. Это означает, что полезная мощность приблизительно в 63 раза больше, чем наложенная шумовая мощность, что позволяет осуществить достаточно достоверное распознавание одиночного импульса. Если, напротив, необходимо передать непрерывные сигналы, которые реагируют на помехи гораздо чувствительнее, чем двоичные, то отношение сигнал/шум должно быть выше и в зависимости от рода сигнала и требуемого его количества должно достигать 30 — 60 дБ.
По крайней мере существуют два других фактора, которые, как и ослабление, ограничивают длину усилительного участка: материальная дисперсия и модовая дисперсия. С увеличением длины усилительного участка они вызывают уширение посланного импульса и при этом тем большее, чем выше пропускная способность линии. Так как модовая дисперсия зависит от конструкции световода (для световода с градиентным профилем показателя преломления она гораздо меньше, чем при ступенчатом показателе), то тип применяемого световода при заданной пропускной способности линии, пожалуй, гораздо сильнее ограничивает дальность действия, чем ослабление. Таким же образом, ограничивая длину линии световода с малой модовой дисперсией и малым ослаблением, можно влиять на ширину спектра источника света (например, использовав светоизлучающий диод).
Итак, на вопрос о дальности действия оптической связи однозначного ответа может не быть, так как имеется ряд факторов, влияние которых необходимо учитывать при проектировании.
Глава восьмая
МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ
Абоненты — это не только мы сами или наши соседи, с которыми мы хотим общаться дома или на работе. Это все увеличивающееся число машин, выдающих и принимающих информацию.
В сети связи, только распределяющей информацию (например, радио- или телевизионной), абонент расположен на большой линии коллективного пользования, из которой он получает для себя необходимую информацию. В телефонной сети, которая передает разговоры, каждый абонент имеет до любого места (в основном до оконечной коммутационной станции) свою собственную линию. Только после этого несколько, а затем множество сигналов абонентов объединяются в пачку и передаются совместно, чтобы на конце вновь разъединиться на отдельные линии, которые ведут к желаемым собеседникам.
Еще в середине 70-х годов существовала уверенность в том, что эта часть сети, состоящая из отдельных проводников, должна остаться металлической из экономических соображений. Впоследствии это мнение изменилось.
Здесь прежде всего имеем дело с видом материала. Около 70% меди, расходуемой на кабели связи, приходится на абонентские сети, хотя диаметры проводников выбраны настолько малыми, насколько это возможно. Если бы в будущем отрезки линий, передающих сигналы, выполнялись на оптических элементах, то можно было бы сэкономить только лишь треть затрат на медь, а абонентские сети необходимо было бы опять строить в каждом квартале новостроек.
Дальнейшим важным направлением являются постоянно растущие информационные потоки в промышленности, хозяйстве, а также в быту.
Радио- и телевизионная связь станут в ближайшем будущем встречаться в каждом доме, и необходимость устройства абонентских вводов во многих странах превышает их экономические возможности. Только в учреждения и на заводы в ближайшие годы придут новые службы, польза и рентабельность которых сегодня общепризнанны: телекопирование, конторский телетайп, электронная почта, передача данных в самом широком смысле слова, телеметрия, телеуправление и мониторное оборудование для различных технических устройств. Для индивидуальных абонентов техника также движется вперед. Уже испытываются известные во многих странах мира способы, с помощью которых абонент сможет выбрать тексты, таблицы, диаграммы и воспроизвести их на собственном экране.
Абонентские линии, которые мы сегодня прокладываем, должны быть подготовлены для многих потребностей последующего десятилетия. Нынешнюю систему электрической связи можно использовать только в качестве речевого канала с небольшой полосой пропускания. Такая связь пригодна для конторского телетайпа, а также для передачи данных. Уже при телекопировании необходимо длительное время копирования — в лучшем случае свыше одной минуты на каждую страницу формата АЧ, и каждое повышение скорости требует увеличения полосы пропускания. До конца 80-х годов — таков прогноз британского ведомства связи — в Англии до 50 % почты должно передаваться электронным образом.
Но окончательно необходимо будет отказаться от сегодняшнего абонентского симметричного кабеля с медными проводниками, если потребуется хотя бы одно-единственное движущееся изображение. Тогда будет необходим дорогой коаксиальный кабель или световод.
Такой прогноз развития в будущем является основой, которую учитывают при создании широкополосной связи каждой квартиры по крайней мере с близлежащей коммутационной станцией. Как должна выглядеть техника оптической связи будущего, в частности упомянутая сеть оптической связи, какие и сколько различных сигналов должно быть в этой многоцелевой абонентской сети и как они должны будут передаваться, никто еще сегодня конкретно и окончательно сказать не может. Хотя некоторые рабочие положения сформулированы. Сообразно с ними телефонная связь (разговор и вызывной сигнал) должна осуществляться в обоих направлениях, а кроме того, должен передаваться и телевизионный сигнал. В соответствии с этим каждый абонент получает отдельную оптическую широкополосную линию, к которой прежде всего подключен его телефон и затем, возможно, видеотелефон и другие высокоскоростные устройства.
Ряд вопросов при этом останется открытым. Один из них — энергоснабжение аппарата абонента. Телефон, питаемый сегодня через сигнальные проводники станционного источника питания, в дальнейшем не будет иметь электрической связи с коммутационной станцией. Таким образом он должен будет получать энергию от местной силовой сети. К этой идее привыкли. Обычно электрическая передающая техника будущего ставит те же требования автономного электропитания, правда, по другим причинам. При этом электрическая развязка (абонентов и коммутационной станции), которая обусловлена применением световодной техники, окажется целесообразной с экономической точки зрения.
Оптическая абонентская сеть, широкополосный аппарат абонента в каждой квартире более не являются утопией.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) Глазер В. “Световодная техника” М. Энегроатомиздат 1985г.
2) Савельев И. В. “Курс общей физики” М. Наука 1978, 1982г.