Волоконная оптика в данной книге рассматривается как метод передачи информации из одной точки пространства в другую. При этом переносящей информацию средой является оптическое волокно (тонкая стеклянная или пластиковая нить). Оптическое волокно играет ту же роль, что и медный провод, используемый для передачи телефонных разговоров или компьютерных данных. Но в отличие от медного провода по волокну переносится свет, а не электрический сигнал. В связи с этим появляется множество преимуществ, что позволяет использовать оптическое волокно как несущую среду в различных областях техники - от телефонии до компьютеров и систем автоматизации.

Волоконно-оптическая система представляет собой линию, связывающую две электрические цепи. На рис. 1.1 представлены основные компоненты такой системы:

Передатчик, который преобразует электрический сигнал в световой. Более точно, данное преобразование выполняет источник, представляющий собой либо светоизлучающий, либо лазерный диод. Управляющее устройство преобразует входной сигнал в сигнал определенной формы, необходимой для управления источником.

Волокото-опттеский кабель - среда, по которой распространяется световой сигнал. Кабель состоит из волокна и защитных оболочек.

Приемник предназначен для приема светового сигнала и его обратного преобразования в электрический сигнал. Двумя основными частями приемника являются детектор, непосредственно выполняющий функцию преобразования сигналов, и выходное устройство, которое при необходимости усиливает сигнал и изменяет его форму.

Соединители (коннекторы) предназначены для подключения волокон к источнику, детектору и для соединения волокон между собой.

Как и большинство других электронных устройств, передатчик и приемник могут быть реализованы как очень простое, так и достаточно сложное устройстю. Четыре компонента ВОЛС (волоконно-оптической линии связи), перечисленные выше, являются основными элементами такой системы. В данной книге рассматриваются и другие элементы, входяш;ие в состав более сложных линий и коммуникационных сетей, такие как разветвители, мультиплексоры и распределительные устройства. Но в любой волоконно-оптической линии обязательно используются передатчик, волокно, приемник и соединители.

История волоконной оптики

Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Моряки применяли сигнальные лампы для передачи информации с помош;ью кода Морзе, а маяки в течение многих веков предупреждали мореплавателей об опасностях.

Клауд Чапп в девяностых годах XVIII века построил оптический телеграф во Франции. Сигнальш;ики располагались на вышках, расположенных от Парижа до Лилля по цепочке длиной 230 км. Сообш;ения передавалось из одного конца в другой за 15 минут. В Соединенных Штатах оптический телеграф соединял Бостон с островом Марта Вайнярд, расположенным недалеко от этого города. Все эти системы со временем были заменены электрическими телеграфами.

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

Десятилетием позднее Александр Грэхем Белл запатентовал фотофон (рис. 1.2), в котором направленный свет использовался для передачи голоса. В этом устройстве с помош;ью системы линз и зеркал свет направлялся на плоское зеркало, закрепленное на рупоре. Под воздействием звука зеркало колебалось, что приводило к модуляции отраженного света. В приемном устройстве использовался детектор на основе селена, электрическое сопротив-

РИС. 1.2. Фотофон Александра Белла (рисунок предоставлен AMP

Incorporated)

ление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света. Модулированный голосом солнечный свет, падающий на образец селена, изменял силу тока, протекающего через контур приемного устройства, и воспроизводил голос. Данное устройство позволяло передавать речевой сигнал на расстояние более 200 м.

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

В 50-е годы волокна, предназначенные для передачи изображения, бьши разработаны Брайеном ОБриеном, работавшим в Американской оптической компании, и Нариндером Капани с коллегами в Императорском научно-технологическом колледже в Лондоне. Эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека. Доктор Капани бьш первым, кто разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке и ввел термин волоконная оптика (1956 год). В 1973 году доктор Капани основал компанию Kaptron, специализирующуюся в области волоконно-оптических разветвителей и коммутаторов, рассматриваемых в главе 12.

В 1957 году Гордон Голд, вьшускник Колумбийского университета, сформулировал принципы работы лазера как интенсивного источника света. Теоретические работы Чарльза Таунса совместно с Артуром Шавловым в Bell Laboratories способстювали популяризации идеи лазера в научных кругах и вызвали бурный всплеск экспериментальных исследований, направленных на создание работающего лазера. В 1960 году Теодор Мэймен в Hughes Laboratories создал первый в мире рубиновый лазер. В этом же году Таунс продемонстрировал раб(эту гелий-неонового лазера. В 1962 году лазерная генерация была получена на полупроводниковом кристалле. Именно такой тип лазера используется в волоконной оптике. Голду с большим опозданием, только в 1988 году, удалось получить четьфе основных патента по результатам работ, выполненных им в 50-е годы и посвященных принципу работы лазера.

Использование излучения лазера как носителя информации не бьшо оставлено без внимания специалистами по коммуникации. Возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 ООО раз превышают возможности радиочастотного излучения. Несмотря на это, лазерное излу-

чение не вполне пригодно для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь, равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо проще преодолеть расстояние между Землей и Луной, чем между противоположными границами Манхеттена. Таким образом, первоначально лазер представлял собой коммуникационный световой источник, не имеющий подходящей среды передачи.

В 1966 году Чарльз Као и Чарльз Хокхэм, работавшие в английской лаборатории телекоммуникационных стандартов, опубликовали статью о том, что оптические волокна могут использоваться как среда передачи при достижении прозрачности, обеспечивающей затухание (определяет потери при передаче сигнала - прим. ред.) менее 20 дБ/км (децибел на километр). Они пришли к выводу, что высокий уровень затухания, присущий первым волокнам (около 1000 дБ/км), связан с присутствующими в стекле примесями. Бьш также указан путь создания пригодных для телекоммуникации волокон, связанный с уменьшением уровня примесей в стекле.

В 1970 году Роберт Маурер со своими коллегами из Coming Glass Works получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 году в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км, что соответствовало критерию Као и Хокхэма. В настоящее время лучшие волокна имеют уровень потерь в 0.2 дБ/км.

Не менее крупный успех бьш достигнут в области полупроводниковых источников и детекторов, соединителей, технологии передач, теории коммуникаций и других связанных с волоконной оптикой областях. Все это вместе с огромным интересом к использованию очевидных преимуществ волоконной оптики обусловило в середине и конце 70-х годов существенные продвижения на пути создания волоконно-оптических систем.

Военно-морские силы США внедрили волоконно-оптическую линию на борту корабля Little Rock в 1973 году. В 1976-м в рамках программы ALOFT военно-воздушные силы заменили кабельную оснастку самолета А-7 на волоконно-оптическую. При этом кабельная система из 302 медных кабелей, имевшая суммарную протяженность 1260 м и весившая 40 кг, бьша заменена на 12 волокон общей длиной 76 м и весом 1.7 кг. Военные были первыми и в деле внедрения волоконно-оптической линии. В 1977 году бьша запущена 2-км система со скоростью передачи информации 20 Мб/сек (мегабит в секунду), связавшая наземную спутниковую станцию с центром управления.

В 1977 году компании AT&T и GTE установили коммерческие телефонные системы на основе оптического волокна. Эти системы превзошли по своим характеристикам считавшиеся ранее незыблемыми стандарты производительности, что привело к их бурному распространению в конце 70-х и начале 80-х годов. В 1980-м AT&T объявила об амбициозном проекте волоконно-оптической системы, связывающей между собой Бостон и Ричмонд. Реализация проекта воочию продемонстрировала скоростные качества новой технологии в серийных высокоскоростных системах, а не только в экспериментальных установках. После этого стало ясно, что в будущем ставку надо делать на волоконно-оптическую технологию, показавшую возможность широкого практического применения.

По мере развития технологии столь же быстро расширялось и крепло производство. Уже в 1983 году выпускался одномодовый волоконнооптичес-кий кабель (см. главу 4), но его практическое использование было связано со множеством проблем, поэтому на протяжении многих лет полностью ис-