Современные оптоволоконные кабели

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 (NH4H2PO4) и дигидрофосфат калия (KH2PO4), 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 90 градусов 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.

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.

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 P1/P2 измеряется в технике связи в децибелах (Дб). Коэффициент ослабления в децибелах равен 10Log(P1/P2). 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 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 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 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.

I. СВЕТОВОД - ПОСРЕДНИК МЕЖДУ ПЕРЕДАТЧИКОМ И ПРИЕМНИКОМ

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 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.

Упомянутые 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 nc, и в оболочке no:

cos a = no/nc

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.

II. 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 nc 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 (v = c/nc), 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. 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.

III. ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА

3.1 Преимущества и недостатки оптических световодов

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4