Каталог :: Физика

Реферат: Волоконно-оптические линии связи

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. 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, длина 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. l = с / ¦ или ¦ = с / l, где l. - длина волны; ¦ - частота, 1 / с или 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: ¦ =R (1/n2-1/m2) где n, m - целые числа; R - константа, не зависящая от состава газа, R = 3,29 • 1015 Гц. Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным квантом излучения. Ко­личественное значение кванта излучения h= 6,63 * 10-34 c2 было найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая интерпретирует энергию светового излучения как целое кратное определенным минимально возможным порциям энергии h¦, где ¦ - 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: 9 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 Е1, и состояние Е2. Переход с уровня Е2 на основной Е1, строго говоря, запре­щен, т. е. электрон на уровне Е2 мог бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся на уровне Е2 электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других неста­бильных состояниях (10-8 c) это — длительное время.] Такое состояние называется метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает метастабильному состоянию Е2 свойства накопителя энергии. Если стержневидный рубиновый кристалл (Al2О3) с добавлением ионов хрома облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего, в ре­зультате подведенной световой энергии электроны с основного уровня Е1 переносятся в энергетическую зону Е 2 (не прямо, а через неустойчивую энергетическую зону Е3 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 Е2, 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 Е2 в состояние Е1, 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 Е2 и Е1, 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 e mission 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 (YA3Al5O12 ) 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.

Параметр

Гелий-неоновый лазер (He-Ne)

Apгоновый (Ar)

СО2 –лазер

(CO2 –N2)

Длина волны излучаемого света, мкм

0,6328

1,15

3,39

0,488

0,515

10,6

9,6

Достигаемая выходная мощ­ность, Вт

10-4 - 10-3

10-3 - 102

10-1 – 104

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 р-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 р-n переход и чем больше число возбужденных атомов. В этом со­стоянии такой прибор еще не лазер, а светоизлучающий 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: р-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 б0-х годов появились первые пригодные к эксплуатации 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 3-10 14 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 канале 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 называ-' ют 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 90°, 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 (NH4H 2PO4) и дигидрофосфат калия (КН2РО4 }, коротко они обозначаются как ADP или KDP кристал­лы. Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического моду­лятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью поляризационного фильтра. Линейная модуляция, прежде всего, преобразуется в круговую модуляцию с помо­щью так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта модуляция в за­висимости от сигнала становится более или менее эллиптической. На выходе поляриза­ционного фильтра затем получается свет, модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено напряжение, то направление поляризации в кристал­ле не меняется и ориентация подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на 90° 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 Р1 / Р2, измеряется в технике связи в децибелах (дБ). Коэффициент ослабле­ния в децибелах равен 10 log 1 / Р2). 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 Coming Glass удалось выплавить стекло с ослаблением около 30 дБ/км. Для этой цели необходимо было снизить относительное содержание металлических ком­понентов в исходном материале стекла до 10-8 и менее. Двадцать лет назад возникновение полупроводниковой техники поставило техно­логию материалов перед совершенно новыми проблемами, то же произошло и при разра­ботке технологии получения стекла. С этого момента все другие решения были забыты. Целью стал максимально про­зрачный световод. Достигнутые в лаборатории, а вскоре и в опытном производстве значения ослабления заметно снизились, и пятью годами позже были получены образцы с ослаблением 5 дБ/км, т. е. гораздо меньше, чем надеялись. Открылись новые пути: в оп­ределенных 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.

Среда

Ослабление,

дБ/км

Глубина

проникновения при ослаблении 30 дБ/м

Оконное стекло

Оптическое стекло

Густой туман

Атмосфера над городом

Световоды серийного производства

Опытные лабораторные световоды (l = 1,6mkm)

50000

3000

500

10

3

0,3

0,65

10

60

3300

10000

100000

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 (SiO2), которое предпочтительно в качестве исходного материала для световода, обнаруживает такие резонансы в области длин волн 10-20 мкм. Эта область лежит за пределами области длин волн, используемых сегодня в технике связи. В спектральной области, в которой излучают современные лазеры и светоизлучающие диоды, максимальное значение ослабления в SiO2 мало, но для длин волн свыше 1,6 мкм его действие ощутимо и возрастает с увеличением длины волны. К сожалению, требуемая чистота кварцевого стекла практически едва достижима. Как правило, светопроводящий материал более или менее загрязнен. При этом прежде всего следует назвать ионы металлов (железа, хрома, кобальта, меди). Их долю в SiO2­ необходимо уменьшить до значений 10-8 - 10 -9, на столько подавляя максимумы погло­щения энергии этими примесными материалами, чтобы достигнуть коэффициента ослаб­ления около 1 дБ/км и менее. Исключительно важна также роль ионов ОН. Их главный резонанс имеет длину волны около 2,7 мкм и со своими гармониками (второй, третьей и т. д.) является причиной более или менее значительных максимумов ослабления на дли­нах волн.],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 п. 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 jв. Он определяется отношением показателей преломления в сердечнике пс, и в оболочке по: cosj =nо I nс 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 пс стержня световода зависит от длины волны. Длинноволновые красные лучи отклоняются меньше, чем коротковолновые синие. Этот эффект не имел бы значения для техники световой связи, если бы применяемые источники излучали свет только одной длины волны. К сожалению, этого не бывает. Хотя ширина спектра полупроводникового лазера относительно узка, он излучает свет в некотором интервале длин волн шириной несколько нанометров. Светоизлучающий диод в этом отношении значительно превосхо­дит его — приблизительно на 30 — 40 нм. Ограничение этой полосы невозможно без по­тери энергии. Именно эти различные спектральные составляющие излучения проходят через световод с различной скоростью (v=c/nс ), 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 — полноводная 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 l = 1,27mkm. 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 свстопроводящие 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 Не—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. 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 световода, 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 (Рmax, Рmin). 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 является то, что при импульсной работе средняя световая мощность очень мала по сравнению с пиковой мощностью Рmax. 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 Рmax /2, 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 сообщений (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 переход? 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 вы водить 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, 50- 70°С). 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 о т 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.
Параметр

Свето-

излучаю-

щий диод типа Брусса

Краевой излучательЛазер (полосковая геометрия)

Вводимая в световод мощность,

мкВт:

сердечник Ä 50 мкм;

числовая апертура 0,2

сердечник Ä200 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.

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 конечной 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 A4, 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 одно­единственное 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. Приложение 1

Полное отражение

При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например, из воздуха в стекло или воду, u1 > u2 и согласно закону преломления показатель преломления n > 1. sin a / sin b = u1 / u2 = n Поэтому a > b (рис. ___): преломленный луч приближается к перпендикуляру к границе раздела сред. Если направить луч света в обратном направлении – из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча (рис. ___), то закон преломления запишется так: sin a / sin b = u2 / u1 = 1 / n Преломленный луч по выходе из более плотной оптической среды пойдет по линии бывшего падающего луча, поэтому a < b, т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла a угол преломления b растет, оставаясь все время больше угла a. Наконец при некотором угле падения значение угла преломления приблизится к 90° и преломленный луч пойдет почти по границе раздела сред (рис. ___). Наибольшему возможному углу преломления b = 90° соответствует угол падения a0. Попробуем сообразить, что произойдет при a > a0. При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При a > a0 преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света. Полное отражение используют в так называемой волоконной оптике для передачи света и изображения по пучкам прозрачных гибких волокон – световодов. Световод представляет собой стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с меньшим, чем у волокна, показателем преломления, За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по любому (прямому или изогнутому) пути. Волокна набираются в жгуты. При этом по каждому из волокон передается какой-нибудь элемент изображения. Жгуты из волокон используются, например, в медицине для исследования внутренних органов.

Литература

1. Глазер В. Световодная техника. М., Энергоатомиздат, 1985 г. 2. Савельев И.В. Курс общей физики. М., Наука, 1978, 1985 гг.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.
Глава первая

Свет переносит информацию

1

Глава вторая

От спектра к когерентности

2

2.1 Что такое свет?

2
2.2 Цвет, длина волны, частота – три характерных параметра2

2.3 Спектры источников света

2

2.4 Естественный свет в опытах по интерференции

2

Глава третья

Техника опережает природу

4

3.1 Как образуется некогерентный свет

4

3.2 Лазер как источник светового излучения

4

3.3 Высокая степень когерентности требует затрат

6
3.4 Полупроводниковый лазер, предназначенный для микроэлектроники7

Глава четвертая

Утопия и реальность

9

4.1 Фантастические возможности

9

4.2 Модуляция интенсивности излучения

9

4.3 Как передают свет

11

4.4 Распространение света при полном отражении

12

Глава пятая

Световод – посредник между передатчиком и приемником14

5.1 Ослабление означает потерю световой энергии

14
5.2 Разница во времени пробега ограничивает пропускную способность

линии связи

15

5.3 Пропускная способность волоконных световодов

16

5.4 Оптические кабели, их конструкции и свойства

17

Глава шестая

Источники света – светоизлучающий диод и лазер

19

6.1 Что означает импульсный режим

19

6.2 Тип источника определяет мощность

20

6.3 Проблема вывода световой энергии

20

6.4 Срок службы источников света

21

6.5 Лазер или светоизлучающий диод

21

Глава седьмая

Световой сигнал на приемном конце линии

23
7.1 Необходимость преобразования света в электрический ток 23

7.2 Фотодиоды используют внутренний фотоэффект

23

Глава восьмая

Многоцелевая абонентская сеть

24

Приложение 1

26

Литература

27