1. Основы распространения света в ОВ

1.1. Общие сведения о ВОСПИ

1.2. Структура и принцип работы оптического волокна

1.3. Механизмы потерь в оптических волокнах

1.3.1. Собственные потери

1.3.2. Изгибные и микроизгибные потери

1.4. Дисперсия сигнала и способы ее уменьшения

Введение

Использование света для передачи информации имеет давнюю историю. Первые сведения об использовании костров в ночное время и знаковых костров в дневное время для передачи информации о нашествии врагов и др. относятся ко времени гибели Трои (1269 г. до н. э.)

В 1794 г. Клод Шапп построил от Парижа до Лилля систему оптического телеграфа из цепи семафорных башен с подвешенными сигнальными рейками. Информация передавалась в течение  ~ 15 минут на расстояние 230 км.

В 1875 Кулибин разработал в России свой семафорный телеграф, использовав более чем в 4 раз меньше число знаков. Телефон Кулибина работал и ночью. Однако все эти системы устарели с изобретением электрического телеграфа и радио Поповым.

Норман Френч получил патент на оптическую телефонную систему, в которой сигналы могут передаваться через сеть оптических кабелей, изготавливаемых из стержней чистого стекла. Однако по-прежнему основная масса информации передавалась либо при использовании электрических сигналов (например, телефон), либо радиоволн.

Дальнейшее развитие система оптической связи получила после создания полупроводниковых лазеров в 1964 г. Лазеры обладают высокой монохроматичностью, когерентностью и имеют очень высокую интенсивность излучения. Эксперименты по передаче световых сигналов по воздуху, осуществленные, в частности, в Москве показали недостаточную надежность связи из-за влияния метеорологических условий: дождь, снег и туман сильно снижали качество связи. Стало ясно, что надо канализировать оптические сигналы. С этой целью был предложен полый световод со сложной системой линз, который на практике оказался трудно реализуемым. Лучше всего для целей оптической связи подходили  стеклянные волокна, однако они имели очень большое затухание.

В 1958 г. советские специалисты Варгин и Войнберг доказали, что светопоглощение стекол обуславливается примесями «красящих» металлов, вносимых шихтой. Экспериментально было показано, что светопоглощение идеально чистого стекла очень мало и лежит за пределами чувствительности измерительных приборов.

Однако настоящий бум в области технологии стеклянных световодов начался с 1966 г., когда появилась работа английских ученых Као и Хокхема, которые показали, что при удалении примесей «красящих» металлов можно получить стекла с потерями менее 20 дБ/км. Такие световоды можно было использовать уже практически и все страны занялись достижением предельно высокой чистоты материалов.

В 1973 г. сотрудники «Corning» предложили метод химического парофазного осаждения (CVD) для получения заготовки кварцевых волоконных световодов, который был модернизирован сотрудниками “Bell-Labs» и получил название MCVD (modified chemical vapor deposition).Были получены оптические волокна (ОВ) на основе чистого и легированного кварцевого стекла с потерями первоначально 20дБ/км, которые затем быстро снижались (до уровня ~ 0,2 дБ/км в настоящее время). Это послужило началом широко масштабных работ во всем мире по разработке технологии изготовления и использования кварцевых волоконных оптических волокон (ОВ) для волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). В настоящее время уже проложены сотни миллионов километров волоконно-оптических кабелей (ВОК), содержащих в себе ОВ; проложены около 600 тыс. км подводных линий через Атлантический и Тихий океаны. Практически весь земной шар окольцован ВОСПИ. Столь бурный рост систем передачи информации связан с развитием экономики, ибо по оценкам американских экспертов увеличение объема производства в 2 раза требует увеличения объема передаваемой информации в 4 раза. И здесь большая роль отводится ВОСПИ, т.к. по словам академика В.А. Котельникова «ВОСПИ – это третья революция в системе связи после изобретения, соответственно, электронно-лучевых ламп и полупроводников».

 Рис.1 Динамика роста объема продаж оптического волокна для производства волоконно-оптического кабеля (ВОК) в мире за последние годы    (объемы продаж приведены к длине оптического волокна в кабеле).

В России и странах СНГ производство ВОК составило: в 2000 г.-713,6 тыс. км., в 2001 г. – 860 тыс. км., в 2002 г. – 711 тыс. км

На рис. 1 показана динамика роста объема продаж ОВ для производства ВОК в мире за последние годы. Видно, что в рекордном 2001 г. объем продаж ОВ составил более 100 миллионов км, причем доля России и стран СНГ составила всего ~ 0,8 % от мирового производства. Спад производства ОВ в последующие годы связан с тем, что пропускная способность уже проложенных линий значительно превысила потребности сегодняшнего дня, а именно: объем передаваемой информации на сегодняшний день составляет лишь ~ 30 % от возможностей имеющихся ВОСПИ. Однако поскольку объем передаваемой информации ежегодно увеличивается, депрессия в производстве ОВ заканчивается, более того в 2006 г. наблюдался даже некоторый подъем. Помимо ВОСПИ ОВ в настоящее время находят широкое применение для создания волоконно-оптических датчиков (ВОД) и волоконно-оптических устройств (ВОУ).

В СССР работы по получению  заготовок кварцевых ОВ методом MCVD и вытяжке волокна были начаты практически одновременно в 1974 г. в ИОФ АН и НХВВ АН, а также в ИРЭ АН. На основе теоретических и экспериментальных исследований были разработаны основные типы телекоммуникационных (многомодовых и одномодовых) ОВ с малыми потерями и широкой полосой пропускания, а также специальные типы ОВ. Значительная часть этих разработок была передана в промышленность: в НИЭС, Гусь-Хрустальные заводы технического стекла и им. Дзержинского, ГОИ им. Вавилова и в другие организации, которые освоили их производство. Были созданы первые образцы отечественного оборудования.

В настоящее время основными научными центрами в РФ по разработке новых перспективных типов ОВ являются, прежде всего, вышеперечисленные организации РАН: Научный центр волоконной оптики (НЦВО), Институт химии высокочистых веществ (ИХВВ), Институт радиотехники и электроники (ИРЭ), а также Государственный оптический институт (ГОИ).

1.1. Общие сведения о ВОСПИ

Переход на оптический диапазон длин волн связан с увеличением широкополосности систем с увеличением частоты несущей электромагнитной волны.

На рис. 1.1 приведен электромагнитный спектр, из которого видно, что частота оптического диапазона (10¹² …10¹⁴ Гц) на 6-7 порядков больше диапазона радиоволн (10⁵ …10⁹ Гц). Поскольку звуковой диапазон 10³ ¸ 10⁴ Гц, а для передачи изображения (телевидение) необходимо ~ 10⁸ Гц, то по радиоканалам можно передавать 100…10000 телефонных каналов или несколько телевизионных каналов, а по ОВ в ~ 10⁵ раз больше.

Рис.1.1. Электромагнитный спектр

Термин «свет» имеет в виду не только видимый свет в диапазоне длин волн 400…650 нм (1 нм = 10 ^–9 м), но охватывает спектр излучения от ультрафиолетового (190 нм) до ближнего инфракрасного (~2000 нм).

         На рис. 1.2 приведена в обобщенном виде структурная схема простейшей ВОСПИ. Сообщение в аналоговой или цифровой форме поступает от источника сообщений на преобразователь информации, где формируется первый электрический сигнал. Если передача оптических сигналов осуществляется в цифровом виде, то используется кодер, в котором осуществляется избыточное кодирование для обеспечения требуемой помехоустойчивости, удобств синхронизации приемных устройств и контроля исправности регенераторов. Далее электрическим сигналом осуществляется модуляция оптического излучения, генерируемого источником света (лазером или светодиодом). Это излучение вводится в ОВ, расположенное в ВОК, содержащем в зависимости от конструкции ряд волокон. Оптическое волокно – диэлектрический волновод оптического диапазона с достаточно малым затуханием, который служит для передачи оптического сигнала источника (передатчика) к удаленному приемнику.

В оптическом приемнике выполняются «обратные» преобразования, а именно оптический сигнал преобразуется в электрический. В декодере осуществляется восстановление первичного сигнала, который с помощью преобразователя приобретает необходимую для потребителя информации форму (печатный текст, изображение, звук и т. д.).

Основные преимущества ВОСПИ заключаются в следующем:

широкополосность, т.е большая ширина полосы пропускания, которая достигает для одномодовых ОВ ~ 10 ГГц на одной длине волны;

высокая скорость передачи информации, которая составляла в середине 70-х годов 8 Мбит/с = 8´10⁶ бит/с, а в 2002 г. уже 10,92 Тбит/с = 10,9´10¹² бит/с;

нечувствительность к электромагнитным воздействиям (грозы, радары);

Рис. 1.2. Схема простейшей ВОСПИ: 1 – преобразователь информации, 2 – кодер, 3 – оптический излучатель, 4 – оптическое волокно, 5 – фотоприемник, 6- декодер, 7 – преобразователь

—         малый вес по сравнению с медными проводами, поскольку удельный вес кварцевого стекла составляет ~ 2,2 г/см³, а меди ~ 8,96 г/см³;

—         гибкость ОВ, радиус изгиба может достигать 3 см;

—         экономия дефицитных металлов (Cu, Al, Pb);

—         универсальность, т.е. передача любых видов информации в аналоговом или цифровом виде.

Успех каждого нового поколения ВОСПИ в значительной степени определяется двумя параметрами: скоростью передачи информации (Гбит/с) и расстоянием, на которое эта информация может быть передана (км). Произведение этих параметров называется полной пропускной способностью (ППС) ВОСПИ (Гбит*км/с). В табл. 1.1 показана динамика и классификация ВОСПИ по поколениям с указанием основных качественных признаков.

Из таблицы видно, что за ~ 30 лет полная пропускная способность ВОСПИ выросла почти на 5 порядков.

Таблица 1.1

Динамика развития и классификация ВОСПИ по поколениям.