1. ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА - ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ

1.1. История развития и области применения волоконно-оптических систем передачи (ВОСП)

Использование электромагнитных волн светового диапазона для связи и передачи информации является естественным способом общения человека с окружающей средой. Известно, что подавляющее количество информации об окружающем его мире (свыше 90 %) человек получает с помощью органов зрения. Поэтому, когда у людей появилась необходимость передавать сигналы на большие расстояния, одним из оперативных видов связи стала оптическая. Однако со времен Римской империи, когда сигналы передавались с помощью огня и дыма, до начала XIX в. методы оптической связи оставались практически неизменными.

Изобретение оптического телеграфа в 1791 г. можно считать первой значительной вехой на пути развития современной оптической связи. Следует отметить, что оптический телеграф широко использовался в течение всего XIX в. в различных странах Европы. Значительными явлениями стали также создание Беллом оптического телефона и пионерские работы Столетова в области фотоэффекта, заложившие основы нового направления физики — оптоэлектроники.

Достоинством оптических методов связи считалось сочетание быстродействия и направленности, однако оба эти преимущества не были реализованы на практике до изобретения лазеров во второй половине нашего столетия. До известной степени период между изобретением радио Поповым (1889 г.) и изобретением лазеров Басовым, Прохоровым,

Таунсом и Мэйманом (1954-1960 гг.) можно считать временем интенсивного развития радио- и электросвязи. Оптическая связь в этот период не могла с ними конкурировать по следующим причинам: мощность, направленность и скорость модуляции существовавших источников света были сравнительно невелики и делали затруднительной оптическую связь даже на расстоянии прямой видимости при неблагоприятных атмосферных условиях (дождь, туман, снег, пыль),

малая длина световой волны не позволяла использовать эффекты, благодаря которым осуществляется радиосвязь в длинноволновом диапазоне электромагнитных волн, и расстояние между оптическими передатчиком и приемником по-прежнему, как и во времена Древнего Рима, в лучшем случае ограничивалось прямой видимостью.

Изобретение лазеров позволило в большой степени снять первое из двух указанных ограничений, а создание оптических волокон — второе. Идея волоконно-оптической связи была сформулирована достаточно давно Хондросом и Дебаем [178], которые рассматривали распространение радиоволн в диэлектрических волноводах. Капани [201} полвека спустя применил эту идею для передачи изображений в оптическом диапазоне волн по жгутам оптических волокон. Световые потери в стеклянных волокнах, из которых изготовлялись такие жгуты, весьма велики (>1000 дБ/км), однако для передачи информации о светимости или освещенности участка изображаемого предмета на расстояние в несколько метров это не является серьезной помехой. Большое число работ по использованию жгутов оптических волокон для передачи изображений, выполненных в 1960-1970 гг. (см., например, работу [25]), нашли свое применение в приборостроении. Исчерпывающие сведения о возможностях применения жгутовой волоконной оптики для целей наблюдения и контроля даны в работе [73]. За семь лет, прошедших после опубликования этой книги, возможности применения жгутов оптических волокон и волоконно-оптической техники еще более расширились. Однако основные принципы остались неизменными, и читатель, интересующийся такими областями волоконной оптики, как передача и усиление изображений, кодирование и декодирование двумерных оптических сигналов, наблюдение в скрытых объемах и полостях (так называемая «эндоскопия»), может получить подробную информацию из книг [25, 73, 146].

Следующим существенным шагом в развитии волоконной оптики, вызвавшим бурное развитие ее различных областей, считается обнаружение и устранение причин, вызывавших избыточные потери света в кварцевых волокнах [200]. Во второй половине 1970-х гг. началась разработка основ технологии производства оптических волокон и кабелей с потерями меньше 3 дБ/км [203]. Одновременно стали развиваться те области электроники и машиностроения, которые обеспечивали создание необходимых

Таблица 1.1. (см. скан) Основные вехи в истории развития оптической связи

компоцентов волоконно-оптических линий связи — лазеров, полупроводниковых фотодетекторов, светоизлучающих диодов, разъемов, усилителей, ретрансляторов, а также технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры (см., например, работы [68, 82, 329]).

Сказанное выше дополняет и иллюстрирует хронологическая табл. 1.1.

Экономические оценки показывают, что производство компонентов для волоконно-оптических линий связи и систем передачи информации становится крупной промышленной отраслью. Только в США, по оценкам экспертов, производство этой продукции увеличивалось ежегодно примерно в 1,5 раза и к 1984 г. достигло объема 400 млн. дол. Основная доля (более 70 %) всей производимой в США волоконно-оптической продукции применяется в таких областях, как связь (свыше 50 % всего объема продукции), промышленные телеметрические системы, кабельное телевидение, вычислительная техника, военная промышленность, автоматизированные системы и робототехника. Причем 69 % стоимости произведенной продукции приходится на оптический кабель, 28 % — на активные компоненты (лазеры, приемники, ретрансляторы),

около 3 % - на пассивные компоненты (разъемы и разветвители) [107].

В других промышленно развитых странах общие объемы производства волоконно-оптических систем и их компонентов отличаются от показателей, характерных для США, однако тенденции и соотношения в производстве примерно те же.

Причины бурного развития волоконной оптики и роста капиталовложений в исследования и производство в этой области подробно рассмотрены в специальной литературе [53, 65, 68, 83, 359], поэтому мы остановимся лишь на основных.

1. Переход из радиодиапазона в световой диапазон электромагнитных волн позволяет увеличить несущую частоту в 104— 10е раз и соответственно увеличить объем передаваемой информации. Скорости передачи у современных волоконно-оптических систем достигают 1-10 Гбит/с, что позволит в принципе по одному каналу связи передавать такие гигантские массивы информации, как 2 млн телефонных разговоров или 2 тыс телевизионных программ одновременно.

2. Использование кварца и пластмасс в качестве основного сырья для производства волоконно-оптического кабеля взамен меди и свинца, употребляемых при производстве обычных кабелей, позволяет отказаться от использования металлов, запасы которых могут исчезнуть уже в первые десятилетия XXI в. Уже в настоящее время стоимость оптического кабеля значительно меньше, чем радиорелейных кабелей, способных передавать тот же объем информации. Численные примеры подтверждают, что хотя цены на оптической кабель зависят от числа и типа применяемых волокон и защитных оболочек, а также от политики фирмы-изготовителя, тем не менее сохраняется устойчивая тенденция к уменьшению цен и росту объема производства.

3. Доступные в настоящее время скорости модуляции светового излучения полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов, чувствительность и быстродействие фотоприемииков для связи — полупроводниковых фотодиодов — позволяют стыковать оптоэлектронные приемные и передающие модули со стандартными системами импульсно-кодовой модуляции на 8, 34, 140 и 560 Мбит/с.

4. Достигнутое на практике снижение потерь в оптических волокнах до теоретически минимального уровня при длине волны излучения мкм) позволяет увеличить расстояния между ретрансляционными пунктами до 30—50 км и тем самым еще более снизить затраты на строительство линий связи.

5. Высокое удельное сопротивление материалов, из которых изготавливается оптическое волокно (и кварц, и полимеры являются хорошими изоляторами), позволяет сделать линии связи и передачи информации пассивными, т. е. не требующими специальных электрических развязок при расположении различных

частей системы или линии в зонах с различным потенциалом Например, передатчик может располагаться в высоковольтном блоке, а приемник — в заземленном корпусе

6 Поскольку электромагнитные поля радиодиапазона не воздействуют на световые сигналы, возможна передача информации по оптическому волокну в условиях сильных электромагнитных помех (например, вдоль высоковольтных линий). В значительной степени это относится и к фону различных радиоактивных источников.

7. Сам принцип волоконно-оптической связи, а также малые мощности, используемые в оптических излучателях, повышают скрытность передачи по оптическим волокнам и кабелям.

8 При переходе на волоконно-оптическую базу резко (в 10— 100 раз) уменьшается масса прокладываемых кабелей и трудоемкость работ по их прокладке. Кроме того, в бортовых и объектовых системах экономия достигается за счет исключения шин нулевого потенциала [23].

Указанные основные причины, а также множество второстепенных факторов привели к тому, что в 1981-1983 гг производство основных компонентов волоконно-оптических систем передачи информации развивалось быстрее, чем такая процветающая отрасль индустрии, как робототехника (в Японии в 1982-1983 гг. объем производства роботов возрос на 30 %).

1.2. Перспективы и проблемы

Дальнейший прогресс волоконной оптики в ближайшие годы связывают прежде всего с ростом количественных показателей (число и дальность линий связи, число и разветвленность систем передачи данных и т. д.). Так, ожидается, что в США вплоть до 1986 г. среднегодовой прирост производства компонентов для ВОСП будет составлять 40 % и в 1986 г. объем производства превысит 1,3 млрд долл. Предполагается, что ежегодный прирост будет составлять 20 % и к концу 1980-х гг. объем производства достигнет 3,0 млрд долл. [107].

В Японии также предусматривается значительный рост объема производства оптических волокон и кабелей [125]. Так, в 1982 — 1987 гг. производство градиентного волокна возросло с 22,5 до 430 тыс. км, ступенчатого — с 3,5 тыс. до 16 тыс. км, одномодового — с 3 тыс. до 120 тыс. км (здесь отмечен рекордный темп роста — свыше 100 % в год), полимерных волокон, идущих в основном на изготовление жгутов, — с 350 тыс. до 6 млн км, волокон из многокомпонентных стекол — с 4 тыс. до 100 тыс. км в год. Одновременно ожидается рост относительной доли активных компонентов до 33-37 % и дальнейшее улучшение их характеристик Объем производства и номенклатура пассивных

компонентов также возрастут и составят около 7 % общего выпуска.

Однако наиболее внушительным будет рост так называемого «нового поколения» волоконно-оптических приборов. В 1988 г. по США ожидается объем производства этих приборов около 280 млн долл. в год по сравнению с 20 млн долл. в 1983 г. [278].

Проанализируем подробно причины столь бурного роста этой новой области волоконной оптики.

П режде всего, совершенствование технологии производства традиционных компонентов ВОСП, особенно оптических волокон и кабелей, за последние семь лет позволило снизить потери света в них в десятки и сотни раз и приблизить параметры лучших образцов к теоретическому пределу. То же можно сказать об эффективности лазерных диодов, быстродействии и чувствительности кремниевых и германиевых фотодиодов.

Поэтому на том пути, который был избран в 1972-1975 гг., возможности качественного прогресса уже близки к исчерпанию. Волоконно-оптические линии связи классического типа, т. е. построенные по схеме «источник—волокно—приемник», уверенно завоевывают важное место в системах связи различных стран.

В то же время в последние пять—семь лет в волоконной оптике наметилась новая тенденция, одним из отражений которой стало появление упомянутого выше нового поколения приборов Проводя аналогию с электроникой, существующие волоконные системы связи и передачи информации можно в какой-то степени уподобить электронным схемам с навесным монтажом, в которых используются отдельные элементы (резисторы, конденсаторы, полупроводниковые приборы), выполненные из различных материалов и по различной технологии. Возможен ли для волоконной оптики путь развития, успешно пройденный электроникой, от навесного монтажа к микросхемам и большим интегральным схемам, в которых все элементы выполняются на одной физической основе (подложке из кремния или других материалов)? Представим себе, что в волоконной оптике произошла аналогичная концептуальная перестройка и появилась возможность создавать отрезки волокна, выполняющие различные функции, т. е. осуществляющие генерацию, усиление, детектирование, модуляцию, преобразование и фильтрацию спектра и т. д. Ясно, что при этом возможности волоконно-оптических систем, их структурное разнообразие, области их использования — все это многократно расширяется.

К новому поколению приборов, о котором идет речь, относятся прежде всего приборы и их компоненты разнообразного назначения, в которых оптическое волокно является неотъемлемой частью конструкции. Часть устройств этого типа (разъемы, ответвители)

уже сейчас являются обязательными аттрибутами ВОСП. Однако в перспективе наибольший интерес представляют приборы для ввода, управления и вывода информации из оптической системы, т. е. функциональные волоконно-оптические устройства.

Наибольшее развитие среди волоконно-оптических приборов получили датчики физических величин, позволяющие преобразовать значения характеристик измеряемого физического поля (таких как напряженность поля, индукция, частота, направление распространения) в один или несколько параметров световой волны, (распространяющейся по волокну (амплитуду, фазу, поляризацию). Прогресс в этой области значителен — волоконно-оптические датчики (ВОД) обладают многими из выше перечисленных достоинств, характерных для волоконно-оптической техники. Параметры многих ВОД превосходят аналогичные показатели традиционных приборов, кроме того, волоконные датчики идеально стыкуются с телеметрическими системами в волоконном исполнении. Наиболее разработаны в настоящее время ВОД для измерения акустических полей — микрофоны, гидрофоны (чувствительность этих приборов с 1977-1979 гг. возросла на 100 дБ) и волоконно-оптические гироскопы. Интенсивно разрабатываются датчики температур, электрического и магнитного полей, линейного перемещения и ускорения, химического состава, уровня жидкости, радиоактивного излучения и т. д.

Казалось бы, идея применения оптических волокон в датчиках физических полей противоречит одному из важных положений, сформулированных ранее при перечислении основных достоинств волоконно-оптической связи, а именно — устойчивости к внешним воздействиям. Однако, как будет показано в гл. 2, эти условия строго соблюдаются только для так называемого «идеального» оптического волокна. Всевозможные нерегулярности, вызываемые внешними воздействиями, в принципе могут быть использованы для регистрации этого воздействия. На этом, а также на использовании разного рода нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии излучения с веществом волокна, и базируется принцип действия большинства датчиков.

Очевидно, что дальнейший прогресс в их разработке во многом зависит от создания специализированных волокон для определенного типа датчиков, например волокон с эллиптической сердцевиной — для поляризационных датчиков давления, волокон с активными присадками — для волоконных лазеров и усилителей, металлизированных волокон - для магнитометров и т. д. (см. главы 3, 4). (Ожидаемое резкое увеличение потребности в ВОД, по-видимому, делает производство таких специализированных волокон экономически оправданным.

К новому поколению волоконно-оптических приборов относятся также устройства для систем со спектральным уплотнением. В этих системах используется способность световых волн различной длины распространяться по волокну, не оказывая взаимного

влияния. Ясно, что в таком подходе заложен значительный резерв повышения информационной емкости системы Для практического использования спектрального уплотнения необходимы устройства для объединения и разделения спектральных каналов, для внешней модуляции оптического излучения и т. п. Для того чтобы эти системы были безразрывными, целесообразно создание устройств в волоконном исполнении. Большие надежды связываются с волоконными лазерами с полупроводниковой накачкой, известны проходные детекторы на волокне со светочувствительной оболочкой. Итак, можно считать, что создание функциональных оптических устройств различного назначения, интегрированных на волокне, является новой перспективной областью оптического приборостроения, и развитие этой области позволит создать волоконно-оптические системы нового поколения.

Не исключается возможность широкого применения таких устройств в системах связи, можно надеяться, что наибольшую пользу они принесут в так называемых «локальных сетях» и измерительных системах, в том числе системах сбора и распределения информации индустриального и научного назначения; корабельных, самолетных и спутниковых коммуникационных системах; гидроакустических антенных решетках с ВОД и т. д.

Архитектура локальных сетей, а следовательно, их возможности в большой степени зависят от функциональных возможностей составляющих элементов, это перспективное направление применения волоконной оптики находится на начальной стадии своего развития, однако уже к настоящему времени накоплен определенный положительный опыт

Например, на установке «Нова», которая разработана в Ливерморской лаборатории в США для изучения физических процессов в плазме, создаваемой сфокусированным излучением неодимовых лазеров общей мощностью до 150 000 МВт, проблема управления экспериментом и измерений существенно осложнялась из-за помех, наводимых в измерительных цепях в момент генерации лазерной системы. Поскольку общая длина линий измерительной системы превышает 10 км, экранировка ее весьма затруднительна, а подчас невозможна. Свыше 50 микро- и мини-ЭВМ, используемых для сбора данных и управления экспериментом, а также большое число приборов для диагностики плазмы объединены в систему «Нованет» с помощью волоконно-оптических кабелей, что позволило практически решить проблему защиты от электромагнитных помех. Топология системы достаточно сложна и позволяет реализовать гибкое управление экспериментом [175].

Другой областью, где применение оптических кабелей позволило достичь впечатляющих результатов в создании и усовершенствовании локальных сетей, является судостроение. Замена кабельных и проводных коммуникационных систем волоконно-оптическими в судостроении (как впрочем и в авиационной промышленности) особенно целесообразна там, где помимо уже

обсуждавшихся преимуществ достигается существенное снижение массы и габаритных размеров систем, т. е. на крупнотоннажных судах и во всевозможных системах дистанционного управления автономными подводными аппаратами.

В крупнотоннажном судостроении достигаемая экономия в массе и габаритных размерах прокладываемых локальных сетей позволяет многократно дублировать жизненно важные участки, уменьшить вероятность возникновения пожаров из-за электрических разрядов, устраняет проблему дрейфа нулевого потенциала, позволяет упростить дистанционный контроль за исполнительными силовыми агрегатами с тиристорным управлением и т. д. [23]. Кроме того, значительно упрощается и удешевляется очень трудоемкий процесс прокладки корабельных локальных сетей из оптического кабеля, поскольку тоннели для прокладки кабеля на судах имеют малые габариты и сложную конфигурацию. Только за счет упрощения прокладки достигается более чем тридцатикратная экономия затрат на монтаж. Очевидно, что с дальнейшим развитием элементной базы волоконно-оптические системы передачи информации будут практически вне конкуренции при создании локальных сетей крупнотоннажных судов.

Дальнейшее развитие подводных исследовательских работ на больших глубинах невозможно без совершенствования систем дистанционного управления. Фактором, ограничивающим глубину погружения, является масса соединительного кабеля. Переход на волоконно-оптические кабели связи позволил использовать сэкономленную массу для повышения надежности и достижения еще больших глубин. Используя современные методы уплотнения, по одному волоконному кабелю можно организовать двухсторонний обмен всей необходимой телеметрической и телевизионной информацией с надводным судном. В США, Японии, Канаде и других странах ведутся исследовательские работы в этом многообещающем направлении.

В автоматизированных системах управления промышленным производством и научным экспериментом, особенно в условиях повышенной взрывоопасности и воздействия химических веществ, а также при наличии больших разностей потенциалов и электромагнитных полей, применение волоконно-оптических локальных сетей сбора информации особенно эффективно в сочетании с ВОД. В зависимости от типа датчика с его помощью можно обеспечить либо аналоговую (т. е. в оптимальном случае — пропорциональную измеряемому воздействию), либо пороговую реакцию на исследуемый параметр технологического процесса. Аналоговые датчики используются для измерения, пороговые — главным образом в качестве аварийных и решающих устройств.

В настоящее время трудно представить со всей определенностью, какие конкретные структуры локальных волоконно-оптических сетей будут наиболее эффективными в каждой из областей их использования.

Сравнение локальных сетей с «нервной системой» при оценке их функций в контроле и регулировании жизнедеятельности сложных промышленных и исследовательских комплексов, представляется весьма реалистичным. Следовательно, по мере усложнения структуры комплекса должна усложняться и структура локальной сети, должен совершенствоваться механизм ее работы

Архитектура современных локальных сетей может быть представлена одной из трех основных конфигураций — «кольцом», «звездой», «шиной», либо их комбинациями

На рис 1.1 представлены возможные варианты построения локальных сетей, реализуемых в световодном исполнении [285]. Очевидно, что для оптимальной работы шины требуется применение ответвителей с различным коэффициентом деления, так как мощность сигнала падает по длине шины (рис. 1.1, а)

Рис. 1.1 Базовые конфигурации локальных сетей а — «шина», б — «звезда», в — реализация многократного разветвления с помощью последовательных Y-образных разветвителей, г — «кольцо»

В то же время звездообразная структура требует применения либо одного многополюсного разветвителя-объединителя (рис. 1.1, б), либо «дерева» из последовательности -образных разветвителей (рис. 1.1, в) Кольцевая система в классическом исполнении (рис. 1.1, г) включает оптоэлектронные терминальные устройства, однако есть пути преодоления этой трудности с использованием чисго оптических компонентов (см. гл. 4).

Второй важной характеристикой локальной сети является протокол, т. е. порядок обмена информацией между отдельными элементами сети, и правила, реализующие изменения этого порядка [57]. И здесь применение оптических компонентов может в ряде случаев упростить ситуацию [55, 146, 234].

Итак, в настоящее время практически сформировалась «прямая» связь между волоконной оптикой и приборостроением, т. е. приложение возможностей волоконной оптики для нужд приборостроения Но не менее важно установить и «обратную» связь, использовав возможности приборостроения для нужд волоконной оптики

Опыт ряда стран показывает, что недостаток специальных приборов для контроля за ходом технологических процессов и измерения параметров готовой продукции тормозил производство основного компонента — оптических волокон и кабелей. Современные представления о природе возникновения потерь световой энергии, сужения полосы пропускания и снижения механической прочности волокон и кабелей накладывают ряд строгих требований на параметры технологических процессов и соответственно на

точность, стабильность и динамический диапазон измерительных и управляющих приборов. Убедительным примером является следующий: при производстве заготовки оптического волокна чистота химических компонентов от ряда примесей должна поддерживаться на уровне от текущего значения в течение всею производственного цикла, который может длиться 6-8 ч. Столь же высоки требования к механическим и термическим параметрам процессов изготовления заготовки и вытяжки волокна Следовательно, для получения волокна высокого качества необходима автоматизация технологических процессов на базе микропроцессоров и специализированных ЭВМ, работающих в сочетании с высокоточными измерительными и исполнительными устройствами.

Измерение параметров готовой продукции — оптических волокон и кабелей — в условиях массового производства также должно производиться быстро и точно И здесь на повестке дня стоит вопрос о создании автоматизированных измерительных комплексов Большое значение имеют также методы и приборы контроля параметров линий и систем в процессе их эксплуатации.

Таким образом, дальнейший прогресс волоконной оптики неразрывно связан с созданием специализированных приборов и систем для производства основных компонентов и измерения их параметров. Для создания этих приборов и систем необходимомо привлечь возможности современного приборостроения.

Подводя итог сказанному, еще раз обратим внимание читателя на расширяющееся взаимное проникновение волоконной оптики и приборостроения на современном этапе их развития. Этот процесс обусловлен тем, что, с одной стороны, прогресс волоконной оптики привел к появлению нового класса оптических приборов и — в перспективе — волоконно-оптических систем следующего поколения. С другой стороны, прогресс волоконной оптики немыслим без специализированных технологических комплексов и измерительных систем, оснащенных современными приборами, причем потребность в таких комплексах и требования к ним постоянно растут.