Волоконно-оптические линии связи

Страница 5

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, дБ/км	Глубина проникновения при ослаблении 30 дБ/м
Оконное стекло Оптическое стекло Густой туман Атмосфера над городом Световоды серийного производства Опытные лабораторные световоды (l = 1,6mkm)	50000 3000 500 10 3 0,3	0,65 10 60 3300 10000 100000

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

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 (SiO2), 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 SiO2 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 SiO2­ необходимо уменьшить до значений 10-8 - 10-9, 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.],35, 0,95 и 0,75 мкм. А эти значения довольно близки к длинам волн современ­ных лазеров на GaAs и светоизлучающих диодов и поэтому с точки зрения связи пред­ставляют большой интерес. В связи с этим «обезвоженность» стекла чрезвычайно важна.

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

5.2 Разница во времени пробега ограничивает пропускную способность линии связи

Упомянутые в п. 4.1 оптимистичные прогнозы об огромной пропускной способно­сти оптических кабелей, связи исходят из соображения, что ширина полосы передаваемо­го сигнала всегда должна быть несколько меньше, чем сама несущая частота. Пропускная способность стеклянного волокна не безгранична. Чтобы передать телефонный разговор как последовательность импульсов, необхо­димо передать большое число (конкретно 64 000) двоичных знаков в секунду (64 000 бит/с или 64 кбит/с). Чтобы преобразовать непрерывно изменяющийся ток микрофона в двоичный сигнал, его необходимо, прежде всего, воспроизвести с помощью импульсов. Найденные значения амплитуды теперь будут изображаться двоичным числом и посы­латься как двоичные сигналы между двумя посылками импульсов. Со стороны приемника следует такое же обратное преобразование. Чтобы передать сигнал с более высоким каче­ством, необходимо различать по меньшей мере 256 амплитудных значений микрофонно­го тока. Поэтому требуется восьмикодовая система (8 двоичных знаков на кодовое слово) для каждого значения импульсной посылки. Для передачи одного движущегося телевизи­онного изображения требуется скорость передачи 80 млн. бит в секунду (80 Мбит/с).