1.4 История развития оптической связи

С древнейших времен в качестве носителя информации человек использует в основном акустические волны - звук и электромагнитные волны - свет. Люди на расстоянии прямой видимости обменивались сообщениями с помощью условных знаков; вне зоны прямой видимости для охвата значительного пространства сообщения передавали с помощью звуков рога или боевой трубы. Для увеличения дальности и определенного уменьшения угла направленности передачи сообщений люди использовали свет: огни костров на вершинах гор, в дальнейшем - факелы и «костры тревог или побед» на высоких башнях. Моряки применяли сигнальные лампы для передачи информации. Сохранились сведения о том, что в XII в. до нашей эры весть о падении Трои была передана в Грецию именно оптическим путем.

В начале 90-х годов XVIII века русский изобретатель И.П. Кулибин и француз К. Чапп (Клод Шапп) независимо друг от друга разработали оптический телеграф, предназначенный главным образом для передачи военных и правительственных сообщений. Оптический телеграф К. Чапп использовал в ходе войны Французской республики против Австрии, более 20 станций связали Париж с Лиллем (230 км). Сообщения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. В России для военно-правительственных целей оптический телеграф связал Петербург со Шлиссельбургом (1824 г.), Кронштадтом, Царским Селом и Гатчиной. Самая длинная в мире (1200 км) линия оптического телеграфа была открыта в 1839 г. между Петербургом и Варшавой. В устройствах обоих изобретателей одинаковой была только конструкция семафора.

Английский физик Джон Тиндалл в 1870 году продемонстрировал возможность управления светом на основе внутренних отражений. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала по параболической траектории в другой желоб. Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распространение света происходит и в оптическом волокне.

Десятилетием позднее Александр Грэхем Белл, американский инженер, изобретатель телефона, запатентовал фотофон, в котором направленный свет использовался для передачи голоса. В этом устройстве с помощью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света. Модулированный голосом солнечный свет, падающий на образец селена, изменял силу тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство (рис. 1.6) позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.

Рис. 1.6 Фотофон Александра Белла

Изобретения И.П. Кулибина, К. Чаппа и А.Г. Белла основаны на прямолинейности распространения света, например, между ретрансляторами-станциями, проходящего через атмосферу. Все эти устройства относятся к открытым линиям оптической связи.

Возможность применения интенсивного слаборасходящегося лазерного луча для передачи информации пробудила интерес к оптическим методам передачи сигналов и стимулировала работы в этом направлении. В результате сразу же появились оптические системы передачи с открытым распространением сигналов, главное преимущество которых - огромная информационная емкость, обусловленная чрезвычайно высокой частотой оптической несущей (порядка 10¹⁴ Гц).

Надо сказать, что созданию надежных лазерных линий связи препятствует погода. Оказалось, что дождь, пыль, снег, туман, облачность и другие атмосферные явления резко ограничивают видимость, снижают качество передачи и могут вообще сорвать оптическую связь. Поскольку связь с помощью лазеров задумывалась сначала как беспроволочная оптическая связь, в которой луч лазера пускается в открытом пространстве, то многие стали сомневаться, что оптические линии связи найдут широкое применение в условиях земной атмосферы.

Однако, практика показала, что открытые лазерные системы связи можно использовать на расстояние до 2-3 километров (рис. 1.7)

Рис. 1.7 Лазерная линия связи

Открытые системы связи наиболее эффективны в космическом пространстве.

Недостатки открытых оптических систем передачи, прежде всего сильное ослабление и искажение сигналов в среде распространения (кроме космоса), вызвали необходимость использования направляющей системы - оптического волокна, в котором сигналы не подвержены действию внешних помех.

Использование света в качестве носителя информации позволяет передавать сверхогромные объемы информации со скоростью света в среде. Эти и другие достоинства оптической связи поставили перед человеком задачу создания закрытых от внешней среды устройств передачи света на большие расстояния, причем по сложноискривленному в пространстве тракту.

Впервые возможность создания световодов была высказана русским инженером В.Н.Чиколевым в 60-х годах XIX столетия. И уже в середине 70-х годов XIX столетия В.Н.Чиколев осветил с помощью световодов пороховые погреба крупнейшего по тем временам Охтинского порохового завода. Источником света служила угольная дуга - свеча Яблочкова. Световоды представляли собой полые металлические трубы, внутренняя поверхность которых была зеркальной.

В начале XX века были проведены теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических волноводов, в том числе гибких стеклянных стержней.

Новый этап начался в 1951 г., когда Ван Хиил в Голландии, Брайен О'Бриен, работавший в Американской оптической компании, и Нариндер Капани с коллегами в Императорском научно-технологическом колледже в Лондоне независимо друг от друга начали изучать проблему передачи изображения по жгуту из регулярно уложенных стеклянных волокон. Работа этих исследователей ограничивалась только гибким волоконным эндоскопом. Основным достижением Ван Хиила является принципиальная разработка стеклянных волокон в оболочке из пластика. Капани разработал технологию укладки волокон, которая в видоизмененной форме используется в промышленности как стандартная. Он первый получил изображение без искажений с помощью жгута из регулярно уложенных стеклянных волокон диаметром 50 мкм без оболочки.

В 1956 г. Капани впервые предложил термин «волоконная оптика». По его определению, волоконная оптика - это оптика на основе активных или пассивных волокон, применяемая для передачи света (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) по заданному пути. В 1973 году доктор Капани основал компанию Kaptron, специализирующуюся в области волоконно-оптических разветвителей и коммутаторов.

В 1961 г. Снитцер получил лазерные волокна из стекол с добавкой неодима и исследовал их использование в качестве усилителей света.

Первые в мире исследования возможности создания линий связи на основе оптических диэлектрических волноводов - волоконных световодов - были начаты в СССР в 1957 г. О.Ф. Косминским, В.Н. Кузмичевым (специалисты по технике связи) и А.Г. Власовым, A.М. Ермолаевым, Д.М. Круп и другими (специалисты по оптике). Уже в 1961 г. в первой статье, посвященной части результатов этих коллективных и комплексных исследований, показана широкополосность оптических волноводов.

В 1958 г. советские специалисты B.В. Варгин и Т.И. Вейнберг показали, что «светопоглощение» стекол обусловливается примесями красящих металлов, вносимыми шихтой, и продуктами разъедания огнеупоров; экспериментально показано, что светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измерительных приборов. В этой же работе впервые показана возможность дальнейшего существенного уменьшения ослабления света в стеклах с использованием значительно более чистых исходных химических реактивов и коренного совершенствования технологии синтеза стекол.

К выводам советских ученых В.В. Варгина и Т.И. Вейнберга через восемь лет (1966 г.) пришли сотрудники английской лаборатории телекоммуникационных стандартов фирмы STL - Чарльз Као и Чарльз Хокхэм. Первыми из зарубежных специалистов по технике связи они опубликовали статью о том, что оптические волокна могут использоваться как среда передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание менее 20 дБ/км (децибел на километр). Был также указан ими путь создания пригодных для телекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле.

В 1970 году Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass Work! получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 году в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км, что соответствовало критерию Као и Хокхэма. В настоящее время лучшие волокна имеют уровень потерь в 0,2 дБ/км.

В 1973 году Военно-морские силы США внедрили волоконно-оптическую линию на борту корабля Little Rock. В 1976 г. в рамках программы ALOFI военно-воздушные силы заменили кабельную оснастку самолета А-7 на волоконно-оптическую. При этом кабельная система из 302 медных кабелей, имевшая суммарную протяженность 1260 м и весившая 40 кг, была заменена 12 волокнами общей длиной 76 м и весом 1,7 кг. Военные были первыми и в деле внедрения волоконно-оптической линии. В 1977 году была запущена 2-км система со скоростью передачи информации 20 МГб/сек (мегабит в секунду), связавшая наземную спутниковую станцию с центром управления.

В 1977 году компании AT&T и GTE установили коммерческие телефонные системы на основе оптического волокна. Эти системы превзошли по своим характеристикам считавшиеся ранее незыблемыми стандарты производительности, что привело к их бурному распространению в конце 1970-х и начале 1980-х годов. В 1980-м AT&T объявила об амбициозном проекте волоконно-оптической системы, связывающей между собой Бостон и Ричмонд. Реализация проекта воочию продемонстрировала скоростные качества новой технологии в серийных высокоскоростных системах, а не только в экспериментальных установках. После этого стало ясно, что в будущем ставку надо делать на волоконно-оптическую технологию, показавшую возможность широкого практического применения.

Несмотря на то, что компьютерная индустрия, технология компьютерных сетей и управление производством не столь быстро, как военные и телекоммуникационные компании, брали на вооружение волоконную оптику, тем не менее, и в этих областях также производились экспериментальные работы по исследованию и внедрению новой технологии. Наступление эры информации и возникшая в связи с этим потребность в более производительных телекоммуникационных системах только подхлестнули дальнейшее развитие волоконно-оптической технологии. Сегодня эта технология находит широкое применение и вне области телекоммуникаций. Например, компания IBM, лидер в производстве компьютеров, объявила в 1990 году о выпуске нового быстродействующего компьютера, использующего контроллер канала связи с дисковыми и ленточными внешними накопителями на основе волоконной оптики. Это стало первым применением волоконной оптики в серийном оборудовании.

В 1990 году Линн Моллинар, сотрудник Bellcore, продемонстрировал возможность передачи сигнала без регенерации со скоростью 2,5 Гб/сек на расстояние около 7500 км. Обычно волоконно-оптический сигнал необходимо усиливать и периодически восстанавливать его форму  примерно через каждые 25 км. При передаче волоконно-оптический сигнал теряет мощность и искажается. В системе Моллинара лазер работал в солитонном режиме и использовалось самоусиливающее волокно с добавками эрбия. Солитонные (в очень узком диапазоне спектра) импульсы не рассеиваются и сохраняют свою первоначальную форму по мере распространения по волокну.

В то же самое время японской компанией Nippon Telephone & Telegraph была достигнута скорость 20 Гб/сек, правда, на существенно более короткое расстояние. Ценность солитонной технологии заключается в принципиальной возможности прокладки по дну Тихого или Атлантического океана волоконно-оптической телефонной системы, не требующей установки промежуточных усилителей.

Весь комплекс работ, выполненных под руководством академиков Ж.И. Алферова, М.Г. Басова, Ю.В. Гуляева, Г.Г. Девятых, В.А. Котельникова, А.М. Прохорова в институтах АН СССР при участии ряда отраслевых НИИ, привел к тому, что к настоящему времени ВОЛС из модных экзотических новинок стали рядовыми незаменимыми структурами в архитектуре многих тысяч информационных систем самого широкого и разнообразного назначения.

Оптическое волокно играет ту же роль, что и медный провод, используемый для передачи телефонных разговоров или компьютерных данных. Но в отличие от медного провода по волокну переносится свет, а не электрический сигнал. В связи с этим появляется множество преимуществ, что позволяет использовать оптическое волокно как несущую среду в различных областях техники - от телефонии до компьютеров и систем автоматизации.

Волоконно-оптическая система представляет собой линию, связывающую приемник и передатчик.

На рис. 1.8 представлены основные компоненты такой системы:

Рис. 1.8 Основные элементы волоконно-оптической линии связи

Волоконная оптика влияет на жизнь каждого человека, порой практически незаметно. Приведем несколько примеров: трансляция голоса через всю страну; распространение телевизионного изображения в ваш дом по кабелю; управление производственным процессом в промышленности.

Волоконная оптика используется в различных областях, и на это имеются важные причины. Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе.

Среди достоинств оптических волокон можно указать следующие:

1. Широкая полоса пропускания обусловлена чрезвычайно высокой частотой оптической несущей - около 10¹⁴ Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Тбит/сек. Большая полоса пропускания - одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

2. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественное и зарубежное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчёте на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяжённостью более 100 км.

3. Высокая помехозащищённость. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, то оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередач, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных оптических кабелях также не возникает проблемы перекрёстного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

4. Малый вес и объём. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объём по сравнению с медными кабелями в расчёте на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см на металлической основе может быть заменён одним волокном с диаметром 1 мм.

5. Высокая защищённость от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приёма-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги.

Таким образом, оптическое волокно (ОВ) используется: в магистральных, зоновых, городских кабелях связи; при строительстве локальных вычислительных сетей, как элемент структурированной кабельной системы (СКС). Широкое применение нашло ОВ при создании сетей кабельного телевидения. ОВ используется при создании периметральных систем защиты.