РЕФЕРАТ
Волоконно Оптические
Линии Связи
СОДЕРЖАНИЕ
Глава первая
СВЕТ ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ
Глава вторая
От спектра к когерентности
2.1 ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?
2.2 ЦВЕТ, ДЛИННА ВОЛНЫ, ЧАСТОТА — ТРИ ХАРАКТЕРНЫХ ПАРАМЕТРА СВЕТА
2.3 СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ В ОПЫТАХ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Глава третья
ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТ ПРИРОДУ
3.1 КАК ОБРАЗУЕТСЯ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ
3.2 ЛАЗЕР КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
3.3 ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРЕБУЕТ ЗАТРАТ
3.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Глава четвертая
УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ
4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
4.2 МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ
4.3 КАК ПЕРЕДАЮТ СВЕТ?
4.4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ПРИ ПОЛНОМ ОТРАЖЕНИИ
Глава пятая
СВЕТОВОД — ПОСРЕДНИК МЕЖДУ ПЕРЕДАТЧИКОМ И ПРИЕМНИКОМ
5.1 ОСЛАБЛЕНИЕ ОЗНАЧАЕТ ПОТЕРЮ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
5.2 РАЗНИЦА ВО ВРЕМЕНИ ПРОБЕГА ОГРАНИЧИВАЕТ
ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИИ СВЯЗИ
5.3 ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
5.4 ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА
Глава шестая
ИСТОЧНИКИ СВЕТА — СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И ЛАЗЕР
6.1 ЧТО ОЗНАЧАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ?
6.2 ТИП ИСТОЧНИКА ОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ
6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
6.4 СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
6.5 ЛАЗЕР ИЛИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?
Глава седьмая
СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ
7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТ БЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?
Глава восьмая
МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ
Глава первая
СВЕТ ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ
У человека имеется пять органов чувств, но один из них особенно важен —
это зрение. Глазами человек воспринимает большую часть информации об
окружающем его мире в 100 раз больше, чем посредством слуха, не говоря
уже об осязании, обонянии и вкусе.
Далее человек заметил ”посторонний источник света” — солнце. Он
использовал огонь, а затем различные виды искусственных световых
источников для подачи сигналов. Теперь в руках человека был как световой
источник, так и процесс модуляции света. Он фактически построил то, что
сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой
связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную
линию и приемник (глаз). Определив в качестве модуляции преобразование
механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие
источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс —
демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода
для дальнейшей обработки в приемнике.
Такая обработка может представлять собой, например, превращение
светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов
нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки
как последнее звено цепи.
Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений,
является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он
хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего
мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они
следуют быстрее 16 раз в секунду.
Используют в качестве световых приемников технические устройства —
фотоэлементы или фотодиоды.
1
4
2
3
Простое световое переговорное устройство:
1–микрофон; 2,3–усилители; 4–телефон
Глава вторая
От спектра к когерентности
2.1 ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?
Сегодня знание природы света углубилось незначительно. Физики сошлись
лишь во мнении о том, что свет объединяет в себе оба свойства:
корпускулярную природу и типичные свойства волнового процесса, которые
представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.
2.2 ЦВЕТ, ДЛИННА ВОЛНЫ, ЧАСТОТА — ТРИ ХАРАКТЕРНЫХ ПАРАМЕТРА СВЕТА
Важным параметром света является его длина волны. Под этим
подразумевается расстояние между двумя положительными или отрицательными
максимумами последовательности колебаний.
Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его
частотой.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 или
picscalex100010009000003fb0000000200150000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c020002a0050e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffccff6005cc010b00000026060f000c004d617468547970650000500015000000
fb0280fe0000000000009001010000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00
0000040000002d01000009000000320a600173000100000066006b0009000000320a6001
ca02010000006300a40010000000fb0280fe000000000000900100000002000200105379
6d626f6c0000040000002d01010004000000f001000009000000320a6001940101000000
3d00d70015000000fb0280fe0000000000009001000000000002001054696d6573204e65
7720526f6d616e000000040000002d01000004000000f001010009000000320a6001bd03
010000002f006b0010000000fb0280fe0000000000009001010000020002001053796d62
6f6c0000040000002d01010004000000f001000009000000320a60018104010000006c00
cc000a00000026060f000a00ffffffff01000000000010000000fb021000080000000000
bc02000000000102022253797374656d0006040000002d01000004000000f00101000300
00000000000000000000000000000000000000000000000000001300a400000000000000
000000000000000000000000000000
где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– длина волны;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– частота,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и
ли герц (сокращенно Гц).
2.3 СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Чтобы понять различия источников света, которые применяются в качестве
передатчиков в устройствах оптической техники связи, остановимся прежде
всего на свойствах обычных источников света.
В обычной лампе накаливания не одна, а огромное количество различных
длин волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значения
области длин волн. Внутри этой области лежит основная доля энергии
излучения. Длины волн за пределами этой области изучаются слабо, т.е.
являются длинами волн с малыми составляющими мощности. Внутри области
излучения (которая в лампе накаливания простирается приблизительно от
видимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные длины волн
расположены так, что они не различаются измерительными приборами. В этом
случае говорят о непрерывном спектре излучаемого света. Который, в свою
очередь может стать спектром поглощения, если вырезать участки длин волн
из непрерывного спектра излучения.
2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ В ОПЫТАХ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Для всех волновых процессов наиболее значительно и характерно явление
интерференции. Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой
фазой, это означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно
совпадают и оба процесса складываются и усиливаются. Однако если между
обоими процессами имеется разность фаз или различие по расстоянию точно
на половину длинны волны, т. е. совпадает максимум одного колебания с
минимумом другого и оба имеют одинаковую мощность, то процессы гасят
друг друга.
Свойство естественных источников света, которые никогда между собой не
интерферируют, так как их фазовые состояния постоянно претерпевают
случайные и быстрые колебания, называется некогерентностью. Хотя
световые лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются
электромагнитными колебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и
соответственно более высокой частотой, они отличаются от радиоволн
именно свойством некогерентности.
Радиопередатчики генерируют когерентное излучение. Положение фазы их
колебаний в течение длительного времени настолько постоянно, что
приемные устройства используют это свойство и извлекают из него пользу.
Без свойства когерентности не могли бы функционировать мощные
электрические системы связи.
Глава третья
ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТ ПРИРОДУ
3.1 КАК ОБРАЗУЕТСЯ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ
Одиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и несинхронно, т.
е. независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.
Обратимся к атомной модели Бора, проложившей новые пути в развитии
физики и побудившей ученых к новым исследованиям природы светового
излучения. Исходным пунктом для этого был спектральный анализ газов. В
газовой трубке с двумя впаянными на концах электродами наблюдалось
свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране
анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий на
определенных расстояниях, т. е. при определенных длинах волн.
Расположение этих линий зависело от состава газа, которым была наполнена
трубка.
Швейцарский математик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты
измеренных спектральных линий описываются следующим простым уравнением:
picscalex108010009000003510100000200150000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c024002600d0e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffbbff200dfb010b00000026060f000c004d617468547970650000500015000000
fb0280fe0000000000009001010000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00
0000040000002d01000009000000320aa00173000100000066006b0009000000320aa001
f402010000005200ee0009000000320aa0011706010000006e00c10009000000320aa001
b40a010000006d00100110000000fb0280fe000000000000900100000002000200105379
6d626f6c0000040000002d01010004000000f001000009000000320aa001a90101000000
3d00d70009000000320aa001f107010000002d00d70015000000fb0280fe000000000000
9001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e000000040000002d010000
04000000f001010009000000320aa001f503010000002800820009000000320aa0014e05
010000002f006b0009000000320aa001eb09010000002f006b0009000000320aa001920c
010000002900820009000000320aa0016c04010000003100c10009000000320aa0010909
010000003100c10015000000fb0220ff0000000000009001000000000002001054696d65
73204e657720526f6d616e000301040000002d01010004000000f001000009000000320a
f400fa06010000003200700009000000320af400dd0b01000000320070000a0000002606
0f000a00ffffffff01000000000010000000fb021000080000000000bc02000000000102
022253797374656d0006040000002d01000004000000f00101000300000000002d010000
04000000f001010009000000320aa001f50301000000280082000000000000
где n, m – целые числа; R – константа, не зависящая от состава газа,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Гц
Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил
фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и
элементарным квантом излучения. Количественное значение кванта излучения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 было найдено Максом Планком в
1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретирует
энергию светового излучения как целое кратное определенным минимально
возможным порциям энергии hf, где f – частота энергии излучения. Из
ранее приведенных рассуждений вытекает знаменитая атомная модель Бора.
Вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются
легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы – электроны. У
водорода – элемента с наиболее простым строением атома – имеется только
один электрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.
Если к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть
поднят на следующую, более высокую орбиту. Радиусы орбит относятся
согласно Бору как квадраты целых чисел, т. е. как 1: 4: 8 и т. д. При
этом для каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно
соответствующая кванту Планка, тогда начальная орбита Бора остается без
электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты не являются для
электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем
возвращается на первоначальную орбиту – прямо или “по ступенькам”. И
подобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более
высокую орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту,
при этом только целочисленными порциями, которые зафиксированы
стабильными орбитами (которые соответствуют определенным энергетическим
уровням) в модели атома. Освободившаяся энергия согласно уравнению
Планка проявляется как излучение определенных частот.
3.2 ЛАЗЕР КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально
неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере
с одиночным атомом водорода. Прежде всего различия проявляются во
влиянии соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния,
которые следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило,
размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические
области (энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что
отдельные единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой)
более или менее “запрещены”, т. е. они не должны иметь места (эти
запреты надо понимать не совсем буквально).
В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней
ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из
первых экспериментальных образцов лазера — в рубиновом лазере.
В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома:
основной уровень
picscalex100010009000003b00000000200150000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c022002e0010e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffacffa001cc010b00000026060f000c004d617468547970650000500015000000
fb0280fe0000000000009001010000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00
8002040000002d01000009000000320a80014000010000004500ea0015000000fb0220ff
0000000000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00de010400
00002d01010004000000f001000009000000320ae001340101000000310070000a000000
26060f000a00ffffffff01000000000010000000fb021000080000000000bc0200000000
0102022253797374656d0006040000002d01000004000000f00101000300000000006aaa
aa006aaaaa006aaaaa003ffffe025555540155555400555554003ffffeff0000000000 и
состояние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.
Переход с уровня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на основной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,
строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне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мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит;
находящийся на уровне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электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с.
[В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных
состояниях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 это — длительное время.] Такое состояние
называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера:
оно придает метастабильному состоянию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свойства накопителя энергии.
Если стержневидный рубиновый кристалл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 с добавлением ионов хрома
облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде
всего в результате подведенной световой энергии электроны с основного
уровня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переносятся в энергетическую зону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(не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону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,
но это в данном случае несущественно). Атом за счет этой внешней энергии
теперь возбужден “накачан”), более того, совокупность атомов достигла
так называемой инверсии населенностей (электронами) энергетических зон.
Нижняя энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае
почти пуста, напротив, более высокий уровень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,
первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими
занят. Но это состояние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво.
Подведенная энергия накапливается.
С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в
генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения
энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно
переходит из состояния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 в
состояние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 и
при этом отдает энергию излучения — сравнительно короткую
последовательность колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на
своем пути через стержневидный кристалл второй возбужденный атом.
Частота этого колебания определяется по закону Планка разностью энергий
picscalex100010009000003b00000000200150000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c02200200020e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffacffc001cc010b00000026060f000c004d617468547970650000500015000000
fb0280fe0000000000009001010000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00
0000040000002d01000009000000320a80014000010000004500ea0015000000fb0220ff
0000000000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e002b020400
00002d01010004000000f001000009000000320ae001420101000000320070000a000000
26060f000a00ffffffff01000000000010000000fb021000080000000000bc0200000000
0102022253797374656d0006040000002d01000004000000f00101000300000000000000
00005e3900000d00050000000000000000000000010000000000000001000000000000 и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 и
соответствует длине волны приблизительно 694 нм или красному световому
импульсу, находящемуся в видимой области спектра.
Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением.
Индуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим
колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об
“усилении света индуцированной эмиссией излучения”. Отсюда произошло
слово LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.
Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала
через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект
самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное
спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми
колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется
достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из
торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть
энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного
светового излучения.
В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в
импульсном режиме. В качестве источников света применялись
лампы-вспышки, которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными
некогерентными световыми импульсами и вызывали излучение коротких
когерентных световых импульсов. В качестве примера, разработанного в то
время лазера непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом
гранате (Nd-YAG), ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый
гранат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 с примесью неодима. Основные линии
энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 — 810 нм, основной
лазерный переход — на 1064 нм. (Возбуждаемы также и другие переходы.)
3.3 ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРЕБУЕТ ЗАТРАТ
Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих
возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие
другие материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать
свет (флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно
более высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого
состояния должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает
относительно малую мощность накачки), и, наконец, материал должен
обладать малыми оптическими потерями.
Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому
можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболее известных
газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия
и неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического
разряда в газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков
сантиметров до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными
в корпус трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри
трубки возникают электроны, энергия которых служит для того, чтобы
прежде всего перевести на более высокий энергетический уровень атомы
гелия, которые в свою очередь в результате аналогичного эффекта
возбуждают имеющиеся в незначительном количестве атомы неона. Эти атомы
неона создают при описанном синхронизированном обратном переходе в
основное состояние индуцированное излучение.
Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь является
наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался в
описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных
зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере
активный элемент конструктивно отличается от активного элемента
кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается
наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем — оптически точно
выверенная — вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними
зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также
внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По
крайней мере одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть
света могла покидать резонатор (окно Брюстера).
Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью
энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне
могут существовать одновременно несколько таких излучающих переходов),
возможно излучение света различных длин волн. Так, лазер на He–Ne может
принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он
работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному
свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые
для нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет
объем резонатора, определяет конструктор лазера нанесением
частотноселективной пленки на зеркало.
ПараметрГелий–неоновый
лазер (He-Ne)Аргоновый
лазер
(Ar)picscalex100010009000003b1000000020015000000000005000000090200000000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-лазер
picscalex100010009000003130100000200150000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c022002c0070e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffacff8007cc010b00000026060f000c004d617468547970650000500015000000
fb0280fe0000000000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00
0100040000002d01000009000000320a80014000010000002800800009000000320a8001
fe06010000002900800015000000fb0280fe000000000000900101000000000200105469
6d6573204e657720526f6d616e006c70040000002d01010004000000f00100000a000000
320a8001d00002000000434fff00140109000000320a80011d05010000004e00ff001500
0000fb0220ff0000000000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d61
6e000100040000002d01000004000000f001010009000000320ae001dc02010000003200
700009000000320ae0014506010000003200700010000000fb0280fe0000000000009001
000000020002001053796d626f6c0000040000002d01010004000000f001000009000000
320a8001db03010000002d00d3000a00000026060f000a00ffffffff0100000000001000
0000fb021000080000000000bc02000000000102022253797374656d0006040000002d01
000004000000f00101000300000000000400040120009f45580000000000bf0700000010
0000000000000000000000Длина волны излучаемого света, мкм0,6328
1,15
3,390,488
0,51510,6
9,6Достигаемая выходная мощность,
Втpicscalex1000100090000030f01000002001500000000000500000009020000000004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КПД, %0,01–0,10,01–0,21–20
В таблице приведены наиболее известные газовые лазеры. Необходимо
подчеркнуть широту области изменения их параметров. Однако все газовые
лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения,
которому вначале придавали большое значение, оказалось при близком
рассмотрении ненужным. Гораздо важнее когерентности для световой
передачи сообщений оказалась простота возможности модуляции света, и как
раз здесь у газового лазера оказались слабые стороны.
Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью
газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего
излучения лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью
газового разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в
пределах нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес
для техники связи.
3.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Кроме названных существенными недостатками газового лазера являются его
размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового
разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы,
обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства
исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем
более если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и
особенно микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы,
которые еще господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня
за редким исключением исчезли и представляют только исторический
интерес. Полупроводниковый прибор господствует в широкой области
электроники, требует невысоких рабочих напряжений и меньших (на
несколько порядков) мощностей.
К этой элементной базе может быть отнесен только один источник света,
который также построен на принципах полупроводниковой техники и
изготовляется по такой же или аналогичной технологии, —
полупроводниковый лазер.
Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного лазеров
способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а
непосредственно электрической. К одному из p-n переходов, известных из
полупроводниковой техники, прикладывается напряжение в направлении
проводимости. Оно вызывает ток и путем нарушения равновесия носителей
зарядов (электронов и дырок) — желаемую инверсию населенностей
энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник
накачан, он запас энергию.
Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного
состояния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда),
то излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше
прикладываемое напряжение, чем больше ток через p-n переход и чем больше
число возбужденных атомов. В этом состоянии такой прибор еще не лазер, а
светоизлучаючий диод.
Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе
при наличии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет
выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного
излучения. При этом так называемом пороговом токе диод начинает
генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет
синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его
мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.
В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных
поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом
лазере объем резонатора много меньше: p-n переход, в области которого
образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину
несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при таких габаритах
затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий
коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня
применяется в качестве основного материала для светоизлучающих диодов,
позволяет реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если
разломить кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные
поверхности излома работают аналогично отражателям оптического
резонатора.
Глава четвертая
УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ
4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Когда к началу 60-х годов появились первые пригодные к эксплуатаций
лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве —
когерентное электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло
границы применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические
расчеты едва или можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм
соответствуют частоте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 Гц. Если приняты лишь 1%
этого значения в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно
модулировать данное колебание, то получим значение 3000 Ггц. Это
соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных разговоров или
миллиону телевизионных программ, которые можно было бы передать одним
единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и самый дорогой
коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли одной
тысячной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне
необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число
телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо
растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами
и континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в
сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность
использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения
требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с
телефонным сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей
потребностью в каналах передачи информации.
4.2 МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном
конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль
струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая
волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от
источника света к приемнику. Горизонтально натянутая струна может быть
возбуждена по-разному — отклонение струны может происходить или в
вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о
световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в
первом случае о вертикальной, а во втором случае – о горизонтальной
поляризации волны. Если горизонтальная и вертикальная компоненты
появляются в определенной временной последовательности, то это приводит
к круговой поляризации электромагнитных колебаний. Для приемника
колебаний на другом конце линии это тонкое различие в свойствах
светового потока не существенно. Так же как и человеческий глаз, он не
реагирует на плоскость поляризации света и регистрирует только мощность
света (в модели — степень отклонения струны); он не различает
горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Однако имеются
оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их называют
поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном положении
относительно направления распространения луча, они становятся
светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с
направлением поляризации, повернутым на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,
они, напротив, почти полностью непроницаемы. Только когда сам фильтр
поворачивают на такой же угол (вокруг оси направления распространения
света), он пропускает свет второго вида поляризации, преграждая при этом
путь первому.
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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 и дигидрофосфат калия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, 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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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.
4.3 КАК ПЕРЕДАЮТ СВЕТ?
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.
4.4 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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 измеряется в технике связи в
децибелах (дБ). Коэффициент ослабления в децибелах равен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. 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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 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 таблице приведены ослабление и глубина проникновения (потери мощности
50 % ) для различных светопрозрачных сред.
СредаОслабление, дБ/кмГлубина проникновения при ослаблении 30 дБ,
мОконное стекло
Оптическое стекло
Густой туман
Атмосфера над городом
Световоды серийного производства
Опытные лабораторные световоды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 000
3 000
500
10
3
0,30,65
10
60
3 300
10 000
100 000
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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, 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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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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необходимо уменьшить до значений
picscalex1000100090000030f0100000200150000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c02e00120070e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffbbffe0069b010b00000026060f000c004d617468547970650000200015000000
fb0280fe0000000000009001000000000002001054696d6573204e657720526f6d616e00
0000040000002d0100000a000000320aa0012700020000003130c000c0000a000000320a
a0014b04020000003130c000c00015000000fb0220ff0000000000009001000000000002
001054696d6573204e657720526f6d616e007002040000002d01010004000000f0010000
09000000320af4003802010000003800700009000000320af4005c060100000039007000
10000000fb0220ff0000000000009001000000020002001053796d626f6c000004000000
2d01000004000000f001010009000000320af400bd01010000002d007b0009000000320a
f400e105010000002d007b0010000000fb0280fe00000000000090010000000200020010
53796d626f6c0000040000002d01010004000000f001000009000000320aa0012f030100
00002d00d3000a00000026060f000a00ffffffff01000000000010000000fb0210000800
00000000bc02000000000102022253797374656d0006040000002d01000004000000f001
010003000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
0000000000000000000000, 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.
5.2 РАЗНИЦА ВО ВРЕМЕНИ ПРОБЕГА ОГРАНИЧИВАЕТ
ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИИ СВЯЗИ
Упомянутые в 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).
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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.
Он определяется отношением показателей преломления в сердечнике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,
и в оболочке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: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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.
5.3 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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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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, 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, например, для кварцевого стекла при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. 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.
5.4 ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА
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.
Однако электрические проводники и световоды настолько сильно
различаются, что было бы удивительно, если бы электрические и оптические
кабели не отличались между собой по конструкции, способам монтажа,
прокладки и эксплуатации. Вместе с тем имеется многолетний опыт
механической защиты тонких проводников (медные провода толщиной в
десятые доли миллиметра используются достаточно широко), который может
быть использован для защиты чувствительных стеклянных волокон.
Когда речь идет о различии между световодами и медными проводниками,
необходимо назвать основное свойство, которое до сих пор вообще еще не
называлось: абсолютная нечувствительность световода по отношению к
помехам от электрического и магнитного полей. Здесь можно было бы
сказать, что экранирование электрических кабелей для защиты их от
внешних электромагнитных помех абсолютно излишне в оптических кабелях.
Основную роль играет, конечно, сам материал — стекло, которое выступает
теперь в качестве заменителя ценного цветного металла — меди. Этот
материал-заменитель обусловливает большой экономический выигрыш. Запасы
меди в мире постоянно истощаются, а цены растут. По некоторым прогнозам
еще на исходе столетия месторождения на суше, известные сегодня, будут
исчерпаны. Основной материал для стеклянных оптических волокон —
кварцевый песок — имеется в больших количествах. В технике связи
несколько килограммов меди могут быть заменены 1 г стекла высокой
очистки, если за основу принять одинаковую пропускную способность
кабеля.
Из этого соотношения следует еще одно преимущество: оптические кабели
легче электрических. Это особенно заметно в кабелях с высокой пропускной
способностью — из-за малого диаметра световода. Ясно, что оба эти
свойства являются, непосредственным преимуществом во многих областях
применения.
Наконец, необходимо указать на фактор гальванической развязки
передатчика и приемника. В оптической системе они электрически полностью
изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и
снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении
электрических кабелей, теряют силу.
Наряду с этими полезными параметрами необходимо конечно, назвать другие,
по которым оптические волокна уступают меди и которые должен учитывать
конструктор кабелей.
Это прежде всего чувствительность незащищенного волокна к водяному пару.
Это критическое свойство было очень скоро обнаружено, но было также
обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода
защитной пленкой толщиной несколько микронметров непосредственно в
процессе вытягивания волокна.
Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью
защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и
его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при
неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются
уже через несколько часов или дней.
Механический предел прочности при разрыве для волокна довольно высок и
соответствует прочности стали. Однако стекло хрупко, изгибы с малым
радиусом волокно не выдерживает и ломается. Но и этот недостаток
относителен: стекловолокно, снабженное упомянутым тонким защитным слоем,
вполне можно обмотать вокруг пальца, а некоторые сорта – даже вокруг
тонкого карандаша. Учитывая это типичное свойство стекла, необходимо,
конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда несколько световодов
объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и
скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при укладке.
Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические
перегрузки световода. Но опасны не только разрушение волокна, но и
микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на
шероховатой поверхности в условиях приложения растягивающей силы, и
могут вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно
наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну,
туго, виток к витку намотанному на барабан, подводится видимый свет,
например от He—Ne лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный
свет, что указывает на световые потери, вызванные микроизгибами.
Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд
решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении
кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были
несколько длиннее, чем кабель. На рисунке показана
повивно-концентрическая конструкция, она применяется очень часто. При
этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них
накладывается пористая изоляция.
При колебаниях окружающей температуры от конструкции кабеля существенно
зависят механические силы, которые действуют на световод. Единственным
слабым местом, кажется, является оболочка волокон со ступенчатым
показателем преломления. Ее показатель преломления, который лишь
ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в
неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, чем будут
нарушены условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся
дополнительные потери на излучение.
Глава шестая
ИСТОЧНИКИ СВЕТА — СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И ЛАЗЕР
6.1 ЧТО ОЗНАЧАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ?
Известным примером устройства, работающего в импульсном режиме,
является радиолокационная станция. Радиолокационный передатчик посылает
через антенну очень короткий высокочастотный импульс. Импульс пробегает
пространство со скоростью света, частично отражается от металлического
объекта и через определенное время возвращается в радиолокационную
станцию. Между тем радиолокационная станция переключается на прием и,
получив отраженный импульсный сигнал, вычисляет дальность до объекта,
исходя из разницы времени между передачей и приемом импульса. Процесс
периодически повторяется, но с относительно большими интервалами, так
что в большинстве случаев говорят об одном импульсном сигнале. Даже
когда радиолокационная установка посылает 1000 имп/с, интервал между
импульсами (1 мс) намного превышает длительность импульса, которая
обычно короче 1 мкс.
Тот же принцип применяется в оптической технике связи, а именно для
важного случая поиска места повреждения световодного кабеля. Оптический
локационный импульс посылается в испытуемый кабель, а в качестве
индикатора повреждения используется отраженный свет. Отражения
появляются при этом от всех неоднородностей cветовода, особенно там, где
световод разрушен. Из разности времен пробега, измеренной на
осциллографе, можно вычислить место повреждения кабеля с точностью до 1
м.
Примером передачи непрерывного сигнала является передача по световоду
непрерывного телефонного или видео сигнала. Из непрерывного
электрического сигнала при этом получается такой же непрерывный световой
сигнал, который колеблется между значениями минимальной и максимальной
световой мощности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. Электрический ток за счет
полупроводникового лазера или светоизлучающего диода образует выходную
мощность Р. При этом электрический сигнал может быть биполярным, т. е.
может принимать положительные и отрицательные значения (например,
речевой сигнал или любое другое переменное напряжение), или однополярным
(телевизионный сигнал, выходной сигнал кодового модулятора). Но световой
сигнал в обоих случаях однополярный (отрицательная световая мощность
невозможна).
Свет лазера и светоизлучающего диода окажется таким образом
промодулированным по интенсивности сигналом, воздействующим на ток
диода. Существенным различием между этой непрерывной работой светового
источника и импульсным режимом являртся то, что при импульсной работе
средняя световая мощность очень мала по сравнению с пиковой мощностью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.
При непрерывной работе (или “в режиме непрерывного излучения”) средняя
световая мощность составляет примерно половину пиковой мощности, т. е.
она того же порядка, что и максимальная мощность.
Здесь необходимо указать на следующее: бинарный сигнал (например,
выходной сигнал импульсно-кодового модулятора согласно) едва ли можно
назвать импульсной последовательностью с точки зрения обработки сигнала;
наоборот, относительно модуляции передатчика его нужно рассматривать как
сигнал непрерывного излучения. Его средняя световая мощность равна точно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, так как обычно длина и вероятность появления сигналов 0 и 1 одинаковы.
В световодной технике связи двоичный сигнал играет исключительную роль,
потому что как светоизлучающие диоды, так и лазеры имеют более или менее
нелинейную зависимость мощности от тока. Двоичные сигналы к этому
нечувствительны, а непрерывные искажаются из-за нелинейности.
Таким образом, нужно следить за тем, чтобы, как правило, передача
сообщении (непрерывными и даже двоичными сигналами) шла только с помощью
световых передатчиков, которые пригодны и для непрерывного режима
работы.
6.2 ТИП ИСТОЧНИКА ОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ
Первые полупроводниковые лазеры не могли работать в непрерывном режиме,
во всяком случае при комнатной температуре. Причиной этого были большие
потери мощности.
Лазерный эффект начинается сразу, как только индуцируемая световая
мощность станет больше, чем потери на световом пути в объемном
резонаторе. Необходимая для этого плотность тока возбуждения в активном
элементе лазера, называемая порогом генерации лазера, ниже порогового
тока: лазер еще не генерирует стимулированного излучения. Эта пороговая
плотность тока зависит от внутренней структуры полупроводникового лазера
в окрестности р-n перехода, особенно от применяемых материалов и
концентрации примесей.
В первой и самой простой конструкции, так называемом гомолазере,
рекомбинация носителей заряда и генерация света происходили в довольно
широкой области вокруг р-n перехода. Поэтому потери на ослабление в
объемном резонаторе были очень велики. Для превышения порога генерации
должны были протекать значительные токи, которые приводили к сильному
нагреву лазерного диода. Такие диоды можно было использовать в лазерах
только в импульсном режиме. Существенное уменьшение пороговой плотности
тока и потерь мощности было получено в результате введения простой и
двойной гетероструктур. С этой целью р-n переход имеет с одной или двух
сторон дополнительные слои, в силу чего благодаря свойствам их материала
и примесям толщина электрически и оптически активной зоны лазерного
диода сильно сужается. Этим ограничивают электрический диапазон
возбуждения и одновременно рекомбинацию носителей заряда и генерацию
света. Кроме того, путем изменения показателя преломления в области р-n
перехода достигается определенный ход лучей света и в результате этого —
уменьшение оптических потерь.
С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые
позволили получить импульсный режим при комнатной температуре.
Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре
достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт, правда, в предположении
хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины
импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n
переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.
6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без
объемного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера,
применяются для конструирования светоизлучающих диодов. При этом
индуцируемое в результате рекомбинации носителей зарядов световое
излучение распространяется во всех направлениях и задерживается в
элементе только вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или
из-за неизбежных контактных поверхностей электродов и поверхностей
охлаждения.
В простейшем случае здесь можно использовать и выводить излучение,
распространяющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются
краевыми излучателями. Если устроить в электроде окно, то можно
направить излучение перпендикулярно плоскости активной зоны и получить
поверхностный излучатель.
Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для
светоизлучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового
отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.
6.4 СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является
срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени
работы выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается
ее гарантированное для указанного времени значение даже за счет
повышения тока в диоде.
Если оптический передатчик, например на узле связи, должен проработать
без замены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок
службы около 100000 ч (считая продолжительность года равной
приблизительно 10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок
службы близок к действительному. Хотя для них редко называют гарантийные
сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожалению, для,
лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970 г. в
лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в
непрерывном режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х
годов были разработаны различные структуры и геометрии, приемлемые для
конструирования и изготовления лазеров непрерывного излучения,
работающих при комнатной температуре.
Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только
после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже
сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени
измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких
условиях (как правило, при очень высоких температурах,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). На основании этого судят об ожидаемом
сроке службы в нормальных условиях. При этих предположениях в конце 70-х
годов многими изготовителями предсказывались ожидаемые сроки службы для
лазеров 100000 ч, а в отдельных случаях — свыше 1 млн. ч. И хотя эти
цифры сегодня еще не проверены, все же существует гарантия наименьшего
срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.
Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют
оптимистические прогнозы.
Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться от привычной в
настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется
для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения
и температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую
мощность.
6.5 ЛАЗЕР ИЛИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?
В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом. Ни
для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них
лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.
Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов
источников с годами она будет, естественно падать, но все же
светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле
лазера со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь
необходимой для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые
требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже),
будут всегда применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со
световодами с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми
волокнами в пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в
волокно существенно большую часть излучаемого света.
Типичные параметры полупроводниковых источников света.
ПараметрСветоизлучающий диод типа
БруссаКраевой
излучательЛазер (полосковая геометрия)Вводимая в световод мощность,
мкВт:
сердечник
picscalex100010009000003850000000200100000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c02c001a0010e00000026060f001200ffffffff00000800
0000c0ffccff60018c010b00000026060f000c004d617468547970650000300010000000
fb0280fe0000000000009001000000020002001053796d626f6c0000040000002d010000
09000000320a6001300001000000c40027010a00000026060f000a00ffffffff01000000
000010000000fb021000080000000000bc02000000000102022253797374656d00060400
00002d01010004000000f001000003000000000000000d001c0000000000000000000000
00000000000000004f000050 мкм;
числовая апертура 0,2
сердечник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 мкм;
числовая апертура 0,3
Время нарастания импульса, нс
Ширина спектра, нс
1-10
20-200
10-50
40
200-100
100-500
3-10
40
500-2000
2000-5000
0,3-1
20
Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции.
Светоизлучающие диоды прежде всего “медлительнее” лазеров. В зависимости
от конструкции имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут
быть модулированы частотами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать
быстрые двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда
применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница
модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1
ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей
(в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со
скоростью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет
преимущество в виде более высокой выходной мощности (см. табл.).
Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы
частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего
диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства
световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно
свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения
светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к
ограничению ширины передаваемой полосы частот. Это свойство может
играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально
использовать высокую пропускную способность световодов, а уширение
импульса из-за дисперсии материала допускать в минимальных пределах.
Глава седьмая
СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ
7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию
(передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).
Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с
самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему
передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника,
которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в
акустические или изображения. Возможно, через несколько лет подобные
решения будут осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы
нет. Все существующие способы преобразования сигналов выполняются на
основе электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем
управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических
сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет
электрического тока.
На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К
сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде
всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении)
известен, но еще не готов к техническому воплощению.
Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача
преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или
восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах).
Этот восстановленный электрический сигнал вторично используют для
управления лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает
усиленный световой сигнал.
7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
В оптических системах связи, в которых на выходе каждого отдельного
световода должен быть установлен чувствительный фотоприемник, вводятся
два прибора которые могут, быть выполнены методом микроэлектронной
технологии. Речь идет о p-i-n фотодиоде и лавинном фотодиоде. Оба
используют внутренний фотоэффект, который проявляется в этом специальном
случае непосредственно в окрестностях р-n перехода.
7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
Понятие, которое имеет решающее значение для функционирования каждой
системы связи, — помехи.
Насколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети питания
или отказов каких-либо элементов, встречающиеся в каждом приборе или
устройстве, настолько же не одинаковы помехи, вызванные
электромагнитными полями. Это поля, создаваемые плохо экранированными
электродвигателями, радиоизлучениями автомобилей, часто вызывающими
сильные помехи в радио или телевизионной аппаратуре, и т. ц.
В условиях отсутствия шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать
длину усилительного участка. Требуется только соответственно увеличивать
мощность сигнала, поступающего на вход приемника. Но шум существует и
уменьшает чувствительность каждого приемника и возможности каждого
усилителя. Если мощность полезного сигнала на входе меньше мощности
помех, то сигнал перекрывается ею и не может быть выделен приемным
устройством или усилен. Даже когда сигнал и помехи имеют почти
одинаковую мощность, шум становится довольно значительным. Причины и
источники шумна разнообразны. К ним относятся корпускулярные шумы
электрического тока (дробовой шум), температурные шумовые процессы, шумы
квантования световых пучков. Источник света сам вносит в систему шумовые
составляющие, добавляют их также фотодиод и оконечный электронный
усилитель. Если используется лавинный фотодиод, то возникают
дополнительные шумовые составляющие из-за эффекта умножения в этом
элементе.
Если рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то можно
установить, что различные шумовые источники проявляют себя в нем тем или
иным способом. Вместо чистой формы сигнала, которой модулировалась
выходная мощность светового сигнала передатчика, на вход приемника
поступает сигнал, амплитуда которого случайным образом более или менее
меняется вблизи данного значения. Средние значения соответствуют
истинной форме переданного сигнала, но мгновенные значения отклоняются
от заданного вследствие влияния помех. Первоначальный сигнал можно лишь
приблизительно выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.
7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТ БЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?
Основная задача — обеспечение того, чтобы посланный сигнал с достаточной
для соответствующей цели точно воспроизводился в приемнике, т. е.
разработчик будет пытаться по возможности приблизиться к первоначальной
(правильной) форме сигнала путем получения среднего значения по возможно
большому количеству мгновенных значений сигнала, искаженного помехой.
Для этого служат, различного рода электрические фильтры. Конечно, для
усреднения амплитуды сигнала можно использовать только такое количество
мгновенных значений сигнала, чтобы сами полезные изменения сигнала не
были сглажены и не оказались из-за этого потерянными. То, что остается
после этой фильтрации, более не уничтожается. С этим разработчик системы
должен считаться и, например, выбирать длину передающей линии настолько
короткой, чтобы мощность сигнала не оказалась близкой к мощности
шумового фона.
Для инженера связи из этой модели формирования среднего значения следует
важный вывод: качество передачи сигнала при одинаковом уровне помех тем
лучше, чем медленнее изменяется сигнал (так как тем большими могут быть
интервалы времени усреднения и тем точнее получаемый результат) и чем
меньше необходимая для данной цели ширина полосы частот (пропускная
способность).
Из этих рассуждений ясно, что для фотоприемника имеется нижняя граница
мощности принимаемого сигнала. На этой границе мощность сигнала в
определенное число раз больше суммарной мощности шумов, которые
появляются в приемнике. Этот коэффициент обозначается как отношение
сигнал/шум и выражается в децибелах. Если необходимо передать двоичные
сигналы, то достаточно, например, отношения сигнал/шум (в электрическом
сигнале), равного 18 дБ. Это означает, что полезная мощность
приблизительно в 63 раза больше, чем наложенная шумовая мощность, что
позволяет осуществить достаточно достоверное распознавание одиночного
импульса. Если, напротив, необходимо передать непрерывные сигналы,
которые реагируют на помехи гораздо чувствительнее, чем двоичные, то
отношение сигнал/шум должно быть выше и в зависимости от рода сигнала и
требуемого его количества должно достигать 30 — 60 дБ.
По крайней мере существуют два других фактора, которые, как и
ослабление, ограничивают длину усилительного участка: материальная
дисперсия и модовая дисперсия. С увеличением длины усилительного участка
они вызывают уширение посланного импульса и при этом тем большее, чем
выше пропускная способность линии. Так как модовая дисперсия зависит от
конструкции световода (для световода с градиентным профилем показателя
преломления она гораздо меньше, чем при ступенчатом показателе), то тип
применяемого световода при заданной пропускной способности линии,
пожалуй, гораздо сильнее ограничивает дальность действия, чем
ослабление. Таким же образом, ограничивая длину линии световода с малой
модовой дисперсией и малым ослаблением, можно влиять на ширину спектра
источника света (например, использовав светоизлучающий диод).
Итак, на вопрос о дальности действия оптической связи однозначного
ответа может не быть, так как имеется ряд факторов, влияние которых
необходимо учитывать при проектировании.
Глава восьмая
МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ
Абоненты — это не только мы сами или наши соседи, с которыми мы хотим
общаться дома или на работе. Это все увеличивающееся число машин,
выдающих и принимающих информацию.
В сети связи, только распределяющей информацию (например, радио- или
телевизионной), абонент расположен на большой линии коллективного
пользования, из которой он получает для себя необходимую информацию. В
телефонной сети, которая передает разговоры, каждый абонент имеет до
любого места (в основном до оконечной коммутационной станции) свою
собственную линию. Только после этого несколько, а затем множество
сигналов абонентов объединяются в пачку и передаются совместно, чтобы на
конце вновь разъединиться на отдельные линии, которые ведут к желаемым
собеседникам.
Еще в середине 70-х годов существовала уверенность в том, что эта часть
сети, состоящая из отдельных проводников, должна остаться металлической
из экономических соображений. Впоследствии это мнение изменилось.
Здесь прежде всего имеем дело с видом материала. Около 70% меди,
расходуемой на кабели связи, приходится на абонентские сети, хотя
диаметры проводников выбраны настолько малыми, насколько это возможно.
Если бы в будущем отрезки линий, передающих сигналы, выполнялись на
оптических элементах, то можно было бы сэкономить только лишь треть
затрат на медь, а абонентские сети необходимо было бы опять строить в
каждом квартале новостроек.
Дальнейшим важным направлением являются постоянно растущие
информационные потоки в промышленности, хозяйстве, а также в быту.
Радио- и телевизионная связь станут в ближайшем будущем встречаться в
каждом доме, и необходимость устройства абонентских вводов во многих
странах превышает их экономические возможности. Только в учреждения и на
заводы в ближайшие годы придут новые службы, польза и рентабельность
которых сегодня общепризнанны: телекопирование, конторский телетайп,
электронная почта, передача данных в самом широком смысле слова,
телеметрия, телеуправление и мониторное оборудование для различных
технических устройств. Для индивидуальных абонентов техника также
движется вперед. Уже испытываются известные во многих странах мира
способы, с помощью которых абонент сможет выбрать тексты, таблицы,
диаграммы и воспроизвести их на собственном экране.
Абонентские линии, которые мы сегодня прокладываем, должны быть
подготовлены для многих потребностей последующего десятилетия. Нынешнюю
систему электрической связи можно использовать только в качестве
речевого канала с небольшой полосой пропускания. Такая связь пригодна
для конторского телетайпа, а также для передачи данных. Уже при
телекопировании необходимо длительное время копирования — в лучшем
случае свыше одной минуты на каждую страницу формата АЧ, и каждое
повышение скорости требует увеличения полосы пропускания. До конца 80-х
годов — таков прогноз британского ведомства связи — в Англии до 50 %
почты должно передаваться электронным образом.
Но окончательно необходимо будет отказаться от сегодняшнего абонентского
симметричного кабеля с медными проводниками, если потребуется хотя бы
одно-единственное движущееся изображение. Тогда будет необходим дорогой
коаксиальный кабель или световод.
Такой прогноз развития в будущем является основой, которую учитывают при
создании широкополосной связи каждой квартиры по крайней мере с
близлежащей коммутационной станцией. Как должна выглядеть техника
оптической связи будущего, в частности упомянутая сеть оптической связи,
какие и сколько различных сигналов должно быть в этой многоцелевой
абонентской сети и как они должны будут передаваться, никто еще сегодня
конкретно и окончательно сказать не может. Хотя некоторые рабочие
положения сформулированы. Сообразно с ними телефонная связь (разговор и
вызывной сигнал) должна осуществляться в обоих направлениях, а кроме
того, должен передаваться и телевизионный сигнал. В соответствии с этим
каждый абонент получает отдельную оптическую широкополосную линию, к
которой прежде всего подключен его телефон и затем, возможно,
видеотелефон и другие высокоскоростные устройства.
Ряд вопросов при этом останется открытым. Один из них — энергоснабжение
аппарата абонента. Телефон, питаемый сегодня через сигнальные проводники
станционного источника питания, в дальнейшем не будет иметь
электрической связи с коммутационной станцией. Таким образом он должен
будет получать энергию от местной силовой сети. К этой идее привыкли.
Обычно электрическая передающая техника будущего ставит те же требования
автономного электропитания, правда, по другим причинам. При этом
электрическая развязка (абонентов и коммутационной станции), которая
обусловлена применением световодной техники, окажется целесообразной с
экономической точки зрения.
Оптическая абонентская сеть, широкополосный аппарат абонента в каждой
квартире более не являются утопией.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
