Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Радиофизический факультет

Доклад по волоконной оптике

студентов группы 2094/1

Михеева Евгения и Агафонова Максима

10 ноября 2001 года
Санкт-Петербург

Введение

История вопроса

Разумеется, нет ничего нового в использовании частот оптического диапазона для передачи информации. Визуальные методы связи широко используются не только человеком, но и в животном мире. Человек применял оптические сигналы для передачи информации на большие расстояния еще во времена первобытной цивилизации. Днем он использовал для этого, например, дымовые сигналы или отраженный солнечный свет, а ночью сигнальные огни. В подтверждение этого можно привести два примера из истории Древней Греции.

В пьесе Эсхила «Агамемнон», написанной в V веке до н.э. и описывающей события из греческой мифологии, происходившее за тысячелетие до ее написания, приведены объяснения Клитемнестры того, как она узнала предыдущей ночью о падении Трои:

«Гефест, пославшей с Иды вестовой огонь. Огонь огню, костер костру известие передавал».

Затем она дает графическое описание девяти символов, использованных для передачи новостей из Средней Азии в Аргос с помощью сигнальных огней.

Немного позже Геродот опишет, как в 480 г. до н.э. персидский полководец Мордониус, размышлял об отправлении теми же средствами аналогичного послания о взятии Афин своему императору Кирксу. Однако его мечта осталась неосуществленной.

В каждом из приведенных примеров информация передавалась с помощью заранее обусловленного сигнала. Хотя в древние времена были и более сложные методы сигнализации, однако на протяжении столетий вплоть до изобретения флажковой сигнализации в конце XVIII столетия, по-видимому использовались только сигнальные огни. Со временем они были заменены машинным на суше и флажковой сигнализацией и проблесковыми сигнальными лампами на море.
Последние, в свою очередь, были заменены телефоном и телеграфной радиосвязью. К этому времени произошли существенные изменения в форме
(характере) передаваемой информации. Все ранние системы передачи информации были такими, которые теперь мы назвали бы цифровыми системами, в то время как телефон и радио позволили передавать аналоговую информацию в аналоговом виде, т.е. в виде электрического колебания, непрерывно изменяющегося во времени.

Новизна и преимущество современных оптических систем связи заключается в том, что оптический сигнал обычно распространяется направленно по световодной системе и обеспечивает высокую информационную емкость канала связи.

Можно сказать, что современная эра оптической связи началась с изобретения лазера в 1958 г. и последовавшем вскоре созданием первых лазеров в 1961 г. По сравнению с излучением обычных источников оптического диапазона лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень большую интенсивность. Лазерное излучение в самом деле очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ диапазона, поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах связи. На первом этапе основной причиной интереса к лазерному излучению была возможность получения исключительно широкой полосы пропускания при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле лазерная система связи на гелий-неоновом лазере имеет полосу пропускания 470 ГГц (1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов.

В 60-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерных излучателей (частотный, фазовый, амплитудный, по интенсивности и полярности, частотно-импульсный), а также был создан ряд лазерных систем связи, использующих распространение света в свободном пространстве.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем связи, в которых пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на расстоянии 10 или 100 метров. Благодаря работам К.С. Као с сотрудниками из Standard Telecommunications Laboratories в Харлоу (Англия) появился новый подход к созданию направляющих лазерных систем связи. Они предложили для передачи светового сигнала использовать длинные оптически волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях. Можно утверждать, что статья Као и Хокэма, опубликованная в 1966 году, заложила основу теории волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживающей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в оптическом волокне. Если в ясный день ослабление оптического сигнала в атмосфере составляет всего несколько дБ на километр, то имевшиеся в то время лучшие стекла обладали минимальными потерями в видимой области спектра (порядка 1000 дБ/км). Главный тезис Као и Хокэма сводился к тому, что, если бы удалось уменьшить затухание в стекле в видимой или ближней инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических систем связи. При таком уровне затухания в волокне мощность передаваемого сигнала уменьшилась бы 106 раз при прохождении расстояния 3 км. Производители стекла во главе с фирмой Corning (США) нашли пути удаления примесей из материала волокна и достигли этого требуемого уровня потерь в 1970 году, а к 1975 г. уменьшили их до 20 дБ/км. Японские исследователи опубликовали результаты по получению рекордно малых потерь в волокне, а именно 0,5 дБ/км в 1976 г. и 0,2 дБ/км в
1979 г. Если потерь 0,2 дБ/км могли быть обеспечены на большой длине волокна, то мощность передаваемого сигнал уменьшилась бы лишь в 2 раза после прохождения им расстояния 15 км. Следует, однако, подчеркнуть, что приведенные рекордно малые потери были получены в лабораторных условиях на более длинных волнах (1,55 мкм) и были достигнуты главным образом благодаря удалению из волокна ионов гидроксила.

К 1980 г. многие фирмы в ряде стран уже выпускали волокно с потерями менее 10 дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения (на GaAs) и фотодетекторы (на Si). Во всех странах, имеющих развитую индустрию связи, стали проводится всесторонние испытания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефонные сети.

Используемые в ВОЛС полупроводниковые источники света имеют неизменно широкую полосу излучения, составляющую около 30 нм у светодиодов (СД) и около 3 нм у полупроводниковых лазеров. Это означает, что по сравнению с современной сложной системой радиосвязи оптические системы связи первого поколения оказываются сравнительно простыми и, по существу, состоят только из включаемого и выключаемого источника широкополосного «шума». Некоторые самые ранние системы телеграфной радиосвязи использовали этот же принцип до появления перестраиваемых избирательных систем, позволивших использовать узкополосные несущие колебания. Теоретически исключительно широкая полоса пропускания оптических систем связи оказалась нереалезуемой на практике, однако в результате проведенных исследований все же была создана простая и дешевая оптическая система связи.

Краткий обзор развития линий связи

Линии связи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. В начале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушная телеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена в эксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефонная магистраль Москва—Хабаровск длиной 8300 км.

Создание первых кабельных линий связано с именем русского ученого П. Л.
Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник.

В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги между Москвой и
Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированный гуттаперчей.
Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в
1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США,