Оптические волокна и лазерная связь

Оптические волокна и лазерная связь

Со времен античности свет использовался для передачи сообщений. В Китае, Египте, и в Греции использовали днем дым, а ночь огонь для передачи сигналов. Среди первых исторических свидетельств оптической связи мы можем вспомнить осаду Трои. В своей трагедии «Агамемнон», Эсхил дает детальное описание цепочки сигнальных огней на вершинах гор Ида, Антос. Масисто, Египланто и Аракнея, а также на утесах Лемно и Кифара, для передачи в Арго весть о захвате Трои ахейцами.

В более поздние, но в античные времена, римский император Тиберий, находясь на Капри, использовал световые сигналы для связи с побережьем.

На Капри до сих пор можно видеть руины античного «Фаро» (свет) вблизи виллы императора Тиберия на Тиберио Маунт.

В Северной Америке одна из первых оптических систем связи была установлена около 300 лет назад в колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек в Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило ряд позиций для сигнальных огней во многих деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. В этой цепи, которая начиналась с Иль Верте, на расстоянии около 200 км от Квебека ниже по течению, было не менее 13 пунктов. С начала 1700-х гг. в каждой из этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать за сигналом, посылаемым из деревни ниже по течению, и передавать его далее. С помощью такой системы сообщение о британской атаке в 1759 г. достигло Квебека прежде, чем было слишком поздно.

В 1790 г. французский инженер, Клод Шапп, изобрел семафоры (оптический телеграф), располагаемые на башнях, установленных в пределах видимости одна от другой, что позволяло посылать сообщения от одной башни к другой. В 1880 г. Александр Грэхем Белл (1847—1922) получил патент на «фотофон» устройство, в котором использовался отраженный солнечный свет для передачи звука к приемнику. Отраженный свет модулировался по интенсивности путем колебаний отражающей мембраны, помещенной в конце трубки, в которую Белл говорил. Свет проходил расстояние около 200 м и попадал на селеновую ячейку (фотоприемник), связанную с телефоном. Хотя Белл рассматривал фотофон как наиболее важное свое изобретение, его применение ограничивалось погодными условиями. Однако это обстоятельство не помешало Беллу написать отцу:

«Я услышал разборчивую речь, произведенную солнечным светом!... Можно вообразить, что этому изобретению обеспечено будущее!... Мы сможем разговаривать с помощью света на любом расстоянии в пределах видимости без каких бы то ни было проводов ...В условиях войны такую связь нельзя прервать или перехватить».

Изобретение лазера стимулировало возросший интерес к оптической связи. Однако, вскоре было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки с газовыми линзами и диэлектрические волноводы, но все они были оставлены в конце 1960-х гг., когда были разработаны оптические волокна с малыми потерями.

Понимание, что тонкие стеклянные волокна могут проводить свет за счет полного внутреннего отражения, было старой идеей, известной с XIX в. благодаря английскому физику Джону Тиндалю (1820-1893) и использованной в инструментах и для освещения. Однако в 1960-х гг. даже лучшие стекла обладали большим ослаблением света, пропускаемого через волокно, что сильно ограничивало длину распространения. В то время типичным значением ослабления был один децибел на метр, означающим, что после прохода 1 м пропущенная мощность уменьшается до 80%. Поэтому было возможным лишь распространение по волокну длиной несколько десятков метров, и единственным применением была медицина, например эндоскопы. В 1966 г. Чарльз Као и Джордж Хокхэм из Standard Telecommunications Laboratory (Великобритания) опубликовали фундаментальную работу, в которой показали, что если в плавленом кварце тщательно устранить примеси, а волокно окружить оболочкой с меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления до -20 дБ/км[15]. Это означает, что при прохождении длины 1 км мощность пучка ослабляется до одной сотой входной мощности. Хотя это и очень малое значение, оно приемлемо для ряда применений.

Как часто бывает в таких ситуациях, в Великобритании, Японии и США начались интенсивные усилия с целью получить волокна с улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут в 1970 г. Е. П. Капроном, Дональдом Кеком и Робертом Майером их Компании Корнинг Глас. Они изготовили волокна, которые имели потери 20 дБ/км на длине волны 6328 А° (длина волны He-Ne-лазера). В том же году И. Хаяши с сотрудниками сообщили о лазерном диоде, работающем при комнатной температуре.

В 1971 г. И. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой связи в AT&T Bell Laboratories (Холмдел, Нью-Джерси, США), и ему было поручено разработать системы с высокой скоростью передачи информации. Его начальники У. Даниельсон и Р. Компфнер перевели часть персонала в другую лабораторию, руководимую С. Миллером, чтобы «не спускать глаз» с того, что происходит в области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон и Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую группу для изучения практической возможности связи с помощью волокон. Было ясно, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является связь телефонных станций в крупных городах. Тогда для этого использовались кабели, а информация передавалась в цифровом виде, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, с их способностью передавать огромное количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы и телефонные станции в больших городах расположены на расстояниях несколько километрах друг от друга, и их уже в то время можно было связать без проблем, даже используя волокна с относительно большими потерями.

Итак, предварительный эксперимент был сделан в середине 1976 г. в Атланте с оптическими волоконными кабелями, помещаемыми в трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел к созданию системы, которая связала две телефонные станции в Чикаго. На основе этих первых результатов, осенью 1977 г., в Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. В 1983 г. связь была установлена между Вашингтоном и Бостоном, хотя это и было связано с многими трудностями. Эта система связи работала со скоростью передачи 90 Мбит/с. В ней использовалось многомодовое волокно на длине волны 825 нм.

Между тем NTTC (японская телеграфная и телефонная компания) сумела вытягивать волокна с потерями лишь 0,5 дБ/км на длинах волн 1,3 и 1,5 мкм, а Линкольновская лаборатория в MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного диода, способного непрерывно работать в диапазоне между 1,0 и 1,7 мкм при комнатной температуре. Использование волокон с малыми потерями на 1,3 мкм позволило создать более совершенные системы. Были построены системы с пропусканием 400 Мбит/с в Японии и 560 Мбит/с в Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. В США было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая все еще использует медный провод, является связь между домом и телефонной станцией. Эта «последняя миля», как ее стали называть, также становится объектом волоконной связи.

Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен в действие в 1858 г. Почти сто лет спустя, в 1956 г., был проложен первый телефонный кабель, получивший название ТАТ-1. В 1988 г. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей на оптических волокнах (их стали называть ТАТ-8). Они работают на длине волны 1,3 мкм и связывают Европу, Северную Америку и Восточную часть Тихого океана. В 1991 г. началось установление второго поколения волоконно-оптической связи, ТАТ-9, которая работает на 1,3 мкм и связывает США и Канаду с Великобританией, Францией и Испанией. Другая линия работает между США и Канадой и Японией.

В мире имеется ряд других волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией и Японией покрывает 27 300 км в Атлантическом океане, Средиземном море, Красном море, Индийском океане, в Тихом океане, и имеет 120 000 промежуточных усилителей на пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 г. использовал 36 преобразователей, а первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.

Сегодня, после 30 лет исследований, оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.

Однако имеется одно достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Это возможность непосредственно усиливать оптические сигналы в волокне, т.е. без необходимости сперва извлекать их из волокон. Путем добавления в материал волокна примесей подходящих элементов, например эрбия, и возбуждения их с помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между двумя уровнями эрбия с переходом, который точно соответствует 1,5 мкм. В результате можно получить усиление импульса света на этой длине волны при его распространении через волокно. Кусок такого активного волокна помещается между двумя концами волокон, через которые распространяется сигнал. С помощью оптического ответвителя в этот кусок направляется и излучение накачки. На выходе остаток излучения накачки выходит наружу, а усиленный сигнал продолжает распространение в волокне. С помощью такого подхода можно исключить промежуточные электронные усилители. В старых системах электронных усилителей свет выходил из волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался и преобразовывался в свет, который продолжал распространяться в следующей секции волокна.