Оптико-волоконная связь

Тогда же, в 70-е годы, новые возможности в развитии средств связи открыло изобретение лазера.

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – LASER) – это усилитель света посредством индуцированного излучения, «устройство, в котором энергия, например, тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерного луча».

Возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн А. Эйнштейн предсказал еще в 1916 г. в статье «Квантовая теория излучения».

Опираясь на работы своих предшественников, советские ученые Николай Геннадиевич Басов (1922-2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916-2002), а также американский ученый Чарльз Хард Таунс (1915-1995) заложили основы для практической реализации этой идеи.

В 1957 г. выпускник Колумбийского университета Гордон Голд сформулировал принципы работы интенсивного источника света, а в 1960 г. американский физик Теодор Мейман (1927-2007) создал первый подобный прибор, получивший название лазер.

Почти сразу же обнаружилось, что лазер может быть использован в самых разных сферах человеческой жизни, в том числе как носитель информации. Но хотя «возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 000 раз превышают возможности радиочастотного излучения», обнаружилось, пишет Д.Д. Стерлинг, что он «не вполне пригоден» «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 Землёй и Луной, чем между противоположными границами Манхеттена».

В связи с этим особое значение имело сделанное в 1966 г. предложение двух исследователей Чарльза Као и Чарльза Хокхэма из английской лаборатории телекоммуникационных стандартов использовать для защиты лазерного луча стеклянные волокна, которые к тому уже нашли применение в эндоскопии.

Чтобы понять смысл этого предложения, необходимо учесть следующее обстоятельство. Обычно свет распространяется по прямой линии. Однако если мы проследим путь солнечного луча, уходящего в воду, то заметим, что при переходе из одной среды в другую, он отклоняется от первоначального направления. А если поместить источник света в воде, обнаружится, что на границе воды и воздуха луч света раздвоится, один выйдет наружу, другой, отразившись от верхнего слоя воды, вернется опять вглубь.

Используя это явление, французские физики Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794-1872) и Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) продемонстрировали в 1840 г. фонтан, в котором лучи света, направленные внутрь фонтанных струй изгибались вместе с ними, придавая им светящийся характер.

Используя этот эффект, английский физик Джон Тиндалл (1820-1893) в 1854 г. продемонстрировал возможность управления светом, а в 1870 г. доложил о результатах своих опытов на собрании Королевского общества

В 1920 г. два английских ученых Джон Бэйрд (John Baird) и Кларенс Ханселл (Clarence Hansell) предложили использовать прозрачные стержни для передачи изображений. Такую возможность через несколько лет продемонстрировал студент-медик из Мюнхена Генрих Ламм (Lamm). А в 1934 г. инженер АТТ Норман Френч запатентовал проект передачи по стеклянному волокну сигналов связи.

Однако эта проблема привлекла к себе внимание только после того, как в 1954 г. преподаватель Технического университета голладского города Дельфт Абрахам ван Хеел (Abraham van Heel) и два сотрудника Лондонского Королевского научно-технического колледжа Гарольд Хопкинс (Harold Hopkins) и Нариндер Капани (Narinder Kapany) независимо друг от друга поделились на страницах английского журнала «Nature» своим опытом передачи изображений с помощью оптического волокна. Именно Н. Капани в 1956 г. ввел в употребление термин «волоконная оптика».

Через некоторое время А. ван Хеел усовершенствовал это изобретение. Он покрыл стеклянные волокна прозрачной оболочкой с более низким коэффициентом преломления и тем самым сделал почти невозможным рассеивание света за пределами световода. Но создаваемое таким образом оптическое волокно имело очень высокий коэффициент затухания.
Ситуация стала меняться после того, как в 1966 г. два уже упоминавшихся ученых Чарльз Као и Чарльз Хокхэм установили, что коэффициент затухания зависит от степени прозрачности стекла и что для.
использования оптического волокна в средствах связи необходимо, чтобы коэффициент затухания передаваемых сигналов был ниже 20 дБ/км (децибел на километр).

Одновременно, как уже отмечалось, именно Чарльз Као и Чарльз Хокхэм предложили использовать оптическое волокно для передачи информации с помощью лазера.

Первоначально коэффициент затухания достигал 1000 дБ/км). Но уже «в 1970 году, - пишет Д. Стерлинг, - Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass Works получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 году в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км», «в настоящее время лучшие волокна имеют уровень потерь в 0.2 дБ/км».

Таким образом, в 70-е гг. открылась возможность использования оптического волокна для передачи информации на большие расстояния.

Первыми обратили на это внимание военные. Уже в 1973 г. Пентагон стал использовать оптико-волоконную связь на борту корабля Little Rock., а в 1976 г. - в авиации.

Тогда же, в 1976-1977 гг., в США и Великобритании были построены первые опытные линии оптико-волокнной связи. Как отмечает Д. Стерлинг, они сразу же «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», который вскоре был реализован и продемонстрировал преимущества нового вида связи.

«К 1980 г., - пишет Д.Л. Шарле, - в области проводниковой связи произошла подлинная техническая революция. Классический проводниковый материал – медь – начал уступать место столь же классическому изоляционному материалу - стеклу».

На самом деле правильнее будет сказать, что с 1980 г. революция в этой сфере средств связи только началась.

В 1985 г. были проложены две первые морские коммерческие линии из из оптического кабеля длиной 120 и 420 км. 14 декабря 1988 г. начал действовать первый трансатлантический телефонный кабель с использованием волоконной оптики. «Этот кабель позволил вести телефонные переговоры 40 тысячам абонентов одновременно, что в 3 раза превышает объем трех существующих медных кабелей. В апреле 1989 г. начал функционировать волоконно-оптический кабель, проложенный через Тихий океан, связавший США с Японией».

К 1990 г. протяженность каналов волоконно-оптической связи только в США достигла 5 млн. миль.

«В настоящее время, - констатировали на рубеже XX-XXI вв. Д. Нэсбитт и П. Эбурдин, - с помощью волоконной оптики установлена связь между Северной Америкой, Европой, Азией и Австралией. Общая протяженность волоконно-оптических кабелей составляет более 16 мил. миль».

Лекция 5

Дата добавления: 2014-01-07