Рисунок В.1 – Водяной световод в опыте Тиндаля
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |
«Там, где прежде были границы
науки – там теперь её центр».
Т.К. Лихтенберг.
«Афоризмы». 1965г.
Многообразный мир телекоммуникаций изменяется очень быстро. Телекоммуникационные операторы во всём мире сталкиваются с различными проблемами, возникающими как со стороны пользователей, так и со стороны конкурентов. Но вне зависимости от характера задачи – связана ли она с традиционным обеспечением инфраструктуры для обычной телефонии, или же с необходимостью удовлетворения рыночного спроса на современные услуги с адаптацией под конкретного заказчика – им необходимо выполнить её максимально быстро, гибко, просто, и, что важнее всего, экономично. Это является вызовом для традиционных сетей медного кабеля в следующих аспектах:
а) Спрос на услуги.
Информационная индустрия развивается с большой скоростью, пользователям недостаточно иметь только традиционные речевые услуги, напротив, всё больше растёт спрос на широкополосные услуги. Традиционные медные витые пары и коаксиальные кабели не могут обеспечить достаточно широкополосные услуги. Эту проблему может легко решить оптическое волокно (ОВ) с широкой полосой пропускания.
б) Конкуренция.
При переходе к мировому информационному обществу пользователи ожидают развития высоконадёжных и разнообразных услуг связи. Подверженные дефектам электрические кабели являются препятствием для усовершенствования качества услуг связи. На открытом рынке телекоммуникаций для операторов связи является обязательным развитие и усовершенствование сетей доступа для обеспечения лучших услуг, привлечения и защиты своих абонентов.
в) Трудности, вызванные развитием города для сетей связи.
Сложная городская инфраструктура делает работу по прокладке кабеля трудоёмкой. Медный кабель занимает больше места в ограниченном пространстве подземных тоннелей. Работы являются тяжёлыми, стоимость рабочей силы для проводки электрических кабелей – высокой, частые земляные работы затрудняют движение транспорта, интенсивное строительство высотных зданий ведёт к быстрому насыщению кабельной канализации. Всё это свидетельствует о том, что традиционный электрический кабель не удовлетворяет требованиям развития города.
С увеличением трафика передачи данных в Интернете вопрос о том, как преобразовать традиционную коммуникационную сеть в широкополосную мультисервисную коммуникационную сеть, становится одним из основных вопросов, стоящих перед многими операторами.
Одним из радикальных способов является расширение пропускной способности за счёт использования оптических фотонных технологий. Старая система и концепция построения сети претерпевают существенные изменения. Эти неизбежные тенденции развития сети вызваны быстрым развитием компьютерных, оптических, микроэлектронных, беспроводных технологий. Они также вызваны развитием различных требований к услугам связи, оцифровыванием, развитием широкополосных услуг и ориентацией на пользователя в телекоммуникационных сетях. Устойчивая тенденция интеграции телекоммуникационных и компьютерных сетей, радио- и телевизионных сетей, Интернет-технологий вызывает развитие и создание новых конкурентоспособных услуг и функций.
Уже произошла смена поколений оптических сетей. Следующее поколение оптических сетей – это не только увеличение пропускной способности существующих сетей SDH/DWDM , но и обеспечение всех необходимых свойств коммуникационных сетей, в том числе обеспечение развязки оптических каналов по длине волны, защита и восстановление на уровне оптического сигнала, а также возможность мультисервисного доступа.
Человек применял оптические сигналы для передачи информации на большие расстояния ещё во времена первобытной цивилизации. Днём он использовал для этого, например, дымовые сигналы или отражённый солнечный свет, а ночью – сигнальные огни. На протяжении столетий вплоть до изобретения флажковой сигнализации в конце XVIII столетия, по-видимому, использовались только сигнальные огни. Со временем они были заменены телеграфом 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 и характере передаваемой информации. Все ранние системы передачи информации были такими, которые теперь мы называли бы цифровыми, в то время как телефон и радио позволили передавать аналоговую информацию в аналоговом виде, то есть в виде электрического колебания, непрерывно изменяющегося во времени. Историю световодов принято начинать с Джона Тиндаля. Этот английский экспериментатор и лектор, популяризатор науки продемонстрировал в 1870 г. оригинальный опыт (рисунок В.1).
Рисунок В.1 – Водяной световод в опыте Тиндаля
Свет от угольной дуги, сфокусированный линзой, распространялся по струе воды благодаря многократным внутренним отражениям лучей на границе «вода ? воздух». В опыте Тиндаля струя на всём протяжении светилась. Принцип жидкостных световодов широко используется теперь при цветной подсветке струй фонтанов.
Знаменитый американский физик Роберт Вуд в 1905 г. писал: «Свет без больших потерь энергии можно перевести из одной точки к другой, пользуясь внутренним отражением от стенок палочки из стекла или лучше плавленого кварца». Такова была идея твёрдого прозрачного световода. От её возникновения до воплощения прошло полстолетия. Только в 1950-е годы были получены двухслойные стеклянные волокна с различными показателями преломления обоих слоёв: большим у внутреннего и меньшим y наружного (n1 > n2 ). Подобное волокно и является световодом.
Современная эра оптической связи началась с создания первых лазеров (1960 г.). Слово «лазер» (LASER) составлено из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения.
Создателями первых квантовых генераторов являются советские учёные Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский учёный Ч. Таунс (1958г.). В 1964 г. им была присуждена Нобелевская премия.
Начиная с 1961 г. лазеры разных типов занимают прочное место в оптических лабораториях. Осваиваются новые активные среды, разрабатывается и совершенствуется технология изготовления лазеров. Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания квантовых генераторов предложил в 1959 г. советский учёный Н. Г. Басов. В 1962–1963 гг. в СССР и США одновременно создаются полупроводнико-вые лазеры.
Так начался новый, «лазерный», период оптоэлектроники.
Советские учёные внесли в развитие данной области существенный вклад. Жорес Иванович Алфёров (академик, директор физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, лауреат Ленинской премии) получил золотую медаль Американского физического общества за исследования структур на основе ещё в 70-х годах ХХ века.
В 2000 г., когда стало ясно, как велико значение этих работ для развития науки и техники, насколько важны их практические применения для человечества, ему была присуждена Нобелевская премия, которую он разделил с Н.Б. Крамером (США), также работавшим в этой области.
Если при передаче по кабелям используются частоты – мегагерцы, а по волноводам – гигагерцы, то для лазерных систем используются видимый и инфракрасный спектры оптического диапазона длин волн (сотни терагерц).
В 1966 г. вышла статья Као и Хокхэма , в которой рассматривалась основная причина, сдерживающая практическую реализацию идеи волоконно-оптической связи. Она заключалась в большом затухании сигнала в оптическом волокне. В то время лучшие стёкла обладали минимальными потерями в видимой области спектра порядка 1000дБ/км.
Главный тезис Као и Хокхэма сводился к тому, что если бы удалось уменьшить затухание в видимой или ближней инфракрасной области спектра до 20дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В 1970 г. производители стекла во главе с американской фирмой «Корнинг гласе» нашли пути удаления примесей из материала волокна и достигли требуемого уровня потерь. В этом же году Ж.И. Алфёровым с сотрудниками (СССР) получена непрерывная генерация при комнатной температуре полупроводникового лазера на основе соединения GaAlAs. Эти два достижения явились основой для развития волоконно-оптической связи. В 1975 г. фирма «Корнинг гласе» уменьшила потери до 2дБ/км. В 1976 г. японские исследователи опубликовали результаты по получению рекордно малых потерь в волокне, а именно 0,5дБ/км, а в 1979 г. – 0,2дБ/км.
К 1980 г. многие фирмы уже выпускали волокно с потерями менее 10дБ/км, были созданы надёжные полупроводниковые источники оптического излучения и фотодетекторы. С этого времени во всех странах с развитой сетью связи стали проводить всесторонние испытания ВОЛС. Затем начали создавать оптические системы связи и быстро внедрять их в традиционные, сложившиеся к этому времени телефонные сети.
За разработку основ оптической связи Чарльзу Као (Гонконг, Англия, США) в 2009 г. была присуждена Нобелевская премия.
Структурная схема волоконно-оптической системы передачи идентична системам передачи других типов и показана на рисунке В2.
Основное отличие состоит лишь в том, что используемая в таких системах несущая частота на несколько порядков выше, чем в системах радиосвязи и радиорелейных линиях.
Электрический сигнал после аппаратуры передачи преобразуется в световой. Затем он передаётся по волоконно-оптическому кабелю (ВОК).
Рисунок В2 – Структурная схема волоконно-оптической системы передачи
Волоконно-оптический кабель – это совокупность оптических волокон, имеющая защитное покрытие и предназначенная для передачи оптических сигналов.
Переданный сигнал попадает на фотоприёмник, преобразующий световые импульсы в электрические, которые усиливаются и демодулируются.
ВОСП на очень большие расстояния должны иметь ретрансляторы или усилители, где происходит преобразование оптических сигналов в электрический эквивалент, усиление, восстановление исходной формы сигнала, после чего электрические сигналы преобразуются в оптические путём модуляции тока инжекции полупроводникового квантового генератора или светодиода.
Отметим некоторые преимущества ВОСП по сравнению с обычными кабельными линиями.
1)Широкая полоса пропускания, обусловленная чрезвычайно высокой несущей оптической частотой – около 1014Гц, которая обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации 1–2Тбит/с и выше.
2)Низкий уровень потерь сигнала при распространении, позволяющий передавать сигналы без регенерации на расстояние ~100км.
3)Нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать волоконно-оптический кабель в местах с высоким уровнем таких помех, в том числе использовать для этих целей опоры ЛЭП и опоры для контактной силовой сети.
4)Отсутствие перекрёстных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель.
5)Малая масса и габаритные размеры. Масса и габаритные размеры уменьшаются примерно в 10 раз при одинаковом числе каналов связи.
6)Низкий уровень шумов в ВОК позволяет увеличить полосу пропускания за счёт использования различных способов модуляции сигналов при малой избыточности их кодирования.
7)Полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, что снимает требование к общему заземлению передатчика и приёмника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования.
8)Потенциально низкая стоимость. Хотя оптическое волокно изготавливаются из ультрачистого стекла, при массовом производстве его стоимость невелика. Кроме того, в производстве оптических волокон не используются такие дорогостоящие цветные металлы, как медь и свинец, запасы которых на Земле ограничены. Стоимость же электрических линий, коаксиальных кабелей и волноводов постоянно увеличивается как с дефицитом меди, так и с удорожанием энергетических затрат на производство меди и алюминия.
9)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.
10) Взрыво-пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сетей связи на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологи-ческих процессов повышенного риска.
11)Длительный срок эксплуатации. В настоящее время срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.
Рассмотрим физические процессы, происходящие в компонентах оптических систем связи.
| Предыдущая | Оглавление | Следующая |