1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ СВЯЗИ

1.1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Разумеется, нет ничего нового в использовании частот оптического диапазона для передачи информации. Визуальные методы связи широко используются не только человеком, и о и в животном мире. Человек применял оптические сигналы для передачи информации иа большие расстояния еще во времена первобытной цивилизации. Днем он использовал для этого, например, дымовые сигналы или отраженный солнечный свет, а иочью сигнальные огни. В подтверждение этого можно привести два примера из истории Древией Греции.

В пьесе Эсхила «Агамемиои», написанной в V веке до н. э. и описывающей события из греческой мифологии, происходившие за тысячелетие до ее написания, приведены объяснения Клитемнестры того, как она узнала предыдущей иочью о падении Трои:

«Гефест, пославший с Иды вестовой огонь. Огоиь огню, костер костру известие передавал».

Затем она дает графическое описание девяти символов, использованных для передачи новостей из Средней Азии в Аргос с помощью сигнальных огней.

Немного позже Геродот опишет, как в 480 г. до н. э. персидский полководец Мордониус, размышлял об отправлении теми же средствами аналогичного послания о взятии Афин своему императору Кирксу. Однако его мечта осталась неосуществленной.

В каждом из приведенных примеров информация передавалась с помощью, заранее обусловленного сигнала. Хотя в древние времена были и более сложные методы сигнализации, однако на протяжении столетий вплоть до изобретения флажковой сигнализации в конце XVIII столетия, по-видимому, использовались только сигнальные огни. Со временем они были заменены машинным телеграфом на суше и флажковой сигнализацией и проблесковыми сигнальными лампами на море. Последние, в свою очередь, были заменены телефоном и телеграфной радиосвязью. К этому времени произошли существенные изменения в форме (и характере) передаваемой информации. Все ранние системы передачи информации были такими, которые теперь мы назвали бы цифровыми системами, в то время как телефон и радио позволили передавать аналоговую информацию в аналоговом виде, т. е. в виде электрического колебания, непрерывно изменяющегося во времени.

Сейчас становится очевидным, что когда человечество вступит в XXI столетие, называемое эрой «информационной технологии», дальняя связь вновь вернется к использованию оптического диапазона для несущих частот сигналов и будет преимущественно цифровой по своему характеру. Разумеется, некоторые специальные пользователи пожелают сохранить аналоговый способ передачи информации, а другие — использовать для передачи информации радиоволны, распространяющиеся в атмосфере или космическом пространстве. Однако можно с уверенностью предсказать, что в основном информация будет передаваться в виде последовательного потока световых импульсов, распространяющихся по

Рис. 1.1. Спектр электромагнитных колебаний

кварцевым оптическим волокнам, причем эти импульсы будут отображать передаваемую информацию в цифровом виде. Настоящая книга и посвящена рассмотрению методов и средств, используемых при создании первого поколения таких волоконно-оптических систем связи, и обсуждению присущих им ограничений. Описываемые технология и приборы хорошо известны и нет необходимости изобретать что-либо новое для массового введения кварцевых волокон в качестве основной среды для передачи информации (вместо медного кабеля). Задержка в применении оптических систем в технике связи обусловлена необходимостью разработки высоконадежных элементов с большим сроком службы, а также выбором соответствующих стандартов. Следует отметить, что страна, которая сейчас не в состоянии или не хочет вкладывать средства в развитие оптических систем связи, окажется далеко позади других, и это в эпоху, когда создание электронных систем хранения, обработки и передачи информации будет одной из главных задач деловой жизни.

Новизна и преимущество современных оптических систем связи заключается в том, что оптический сигнал обычно распространяется направленно по световодной системе и обеспечивает высокую информационную емкость какала связи. Однако необходимо подчеркнуть, что эти характеристики пока еще не выше достигнутых в современной электронной цифровой телефонной аппаратуре. Главная побудительная причина замены коаксиального кабеля и микроволновой радиосвязи соответственно на оптическое волокно и оптическую связь заключается в существенном уменьшении общей стоимости системы связи.

Можно сказать, что современная эра оптической связи началась с изобретения лазера в 1958 г. и последовавшем вскоре созданием первых лазеров в 1961 г. По сравнению с излучением обычных источников оптического диапазона лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень большую интенсивность. Лазерное излучение в самом деле очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ диапазона, поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах связи. На первом этапе основной причиной интереса к лазерному излучению была возможность получения исключительно широкой полосы пропускания при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера (см. § 1.2). В самом деле, лазерная система связи на гелий-неоновом лазере (длина волиы в свободном пространстве 0,63 мкм, частота Гц) имеет полосу пропускания 4700 ГГц (1 % от основной частоты), в которой можно разместить одиовремеиио около миллиона телевизионных каналов. На рис. 1.1 приведен спектр электромагнитных колебаний, охватывающий радио-, СВЧ- и оптический диапазоны, использован логарифмический масштаб, когда каждая последующая декада по оси частот (длин волн) отображает полосу частот (диапазон длин воли), в 9 раз большую, чем предыдущая.

В 60-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерных излучателей (частотной, фазовой,

амплитудной, по интенсивности и поляризации, частотно-импульсной), а также был создан ряд лазерных систем связи, использующих распространение света в свободном пространстве. Некоторые из этих систем будут описаны в гл. 16.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем связи, в которых лазерный пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на расстоянии 10 или 100 м. Благодаря работам К. С. Као с сотрудниками из Стандарт Телекоммуникейшенс Лабораториз (Standard Telecommunications Labs.) в Харлоу (Англия) появился новый подход к созданию направляющих лазерных систем связи. Они предложили для передачи светового сигнала использовать длинные оптические волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях. Можио утверждать, что статья Као и Хокэма, опубликованная в 1966 г., заложила основы теории волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживавшей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в оптическом волокне. Если в ясный день ослабление оптического сигнала в атмосфере составляет всего несколько децибел на километр, то имевшиеся в то время лучшие стекла обладали минимальными потерями в видимой области спектра (порядка 1000 дБ/км). Главный тезнс Као и Кокэма сводилсяк тому, что, если бы удалось уменьшить затухание в стекле в видимой или ближней инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических систем связи. При таком уровне затухания в волокне мощность передаваемого сигнала уменьшалась бы в 106 раз при прохождении расстояния 3 км. Производители стекла во главе с фирмой Корнинг (Corning) (США) нашли пути удаления примесей из материала волокна и достигли этого требуемого уровия потерь в 1970 г., а к 1975 г. уменьшили их до 2 дБ/км. Японские нсследовали опубликовали результаты по получению рекордно малых потерь в волокне, а именно 0,5 дБ/км в 1976 г. и 0,2 дБ/км в 1979 г. Если потери 0,2 дБ/км могли быть обеспечены на большой длине волокна, то мощность передаваемого сигнала уменьшилась бы лишь в 2 раза после прохождения им расстояния 15 км. Следует, однако, подчеркнуть, что приведенные рекордно малые потери были получены в лабораторных условиях на более длинных волнах (1,55 мкм) и были достигнуты главным образом благодаря удалению из волокна ионов гидроксила Позднее было доказано, что оптическое волокно достаточно механически прочно и из него можно изготавливать кабели, используя специальную технологию, которая будет описана в гл. 4.

К 1980 г. многие фирмы в ряде стран уже выпускали волокно с потерями менее 10 дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения (на GaAs) и фотодетекторы (на Si). Во всех странах, имеющих развитую индустрию связи, стали проводиться всесторонние испытания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефонные сети. Некоторые из результатов этих испытаний будут рассмотрены в гл. 17. Все без исключения испытания ВОЛС закончились настолько успешно, что предполагается, что в 80-е годы соединительные телефонные линии высокой информационной пропускной способности станут не только цифровыми, но и будут оптическими. Имеется проект использования оптических волокон при изготовлении подводного трансатлантического кабеля (ТАТ8), который планируют проложить в 1988 г.

Как будет изложено в последующих главах, используемые в ВОЛС полупроводниковые источники света имеют неизменно широкую полосу излучения, составляющую около 30 нм у светодиодов (СД) и около 3 нм у полупроводниковых лазеров. Это означает, что по сравнению с современной сложной системой радиосвязи оптические системы связи первого поколения оказываются сравнительно простыми и, по существу, состоят только из включаемого и выключаемого источника широкополосного «шума». Некоторые самые ранние системы телеграфной радиосвязи использовали этот же принцип до появления перестраиваемых избирательных систем, позволивших использовать узкополосные несущие колебания. Теоретически исключительно широкая полоса пропускания оптических систем связи оказалась нереализуемой на практике, однако в результате

проведенных исследований все же была создана простая и дешевая оптическая система связи.

За исключением гл. 16, в которой рассматриваются передача информации оптическими методами в свободном пространстве, и конца настоящей главы о более общих проблемах связи на большйе расстояния основным содержанием книги будет подробное рассмотрение различных компонентов волоконно-оптических систем связи и определение тех ограничений, которые каждый из них накладывает на предельные значения полосы пропускания и дальности связи.

Из сказанного можно подумать, что всех интересует только связь на сверхдлинные расстояния. Однако имеется много информации, которую нужно передавать на расстояния порядка метров или десятка метров, например в телеметрии, внутри ЭВМ или системы управления, между ЭВМ и другими системами сбора и обработки данных. Основная теория BOЛC, которая будет рассматриваться ниже, справедлива и для таких линий передачи, причем в этом случае оптические волоконные системы передачи информации имеют ряд дополнительных достоинств, которые будут стимулировать их использование.

Не вдаваясь более в детали, закончим этот вводный параграф ссылкой на табл. 1.1, в которой приведены достоинства и недостатки оптических систем связи по сравнению с их электрическими аналогами. Более подробное обсуждение этого вопроса будет дано в последующих главах, снабженных ссылками на последние работы.

Таблица 1.1. (см. скан) Достоинства и недостатки оптических линий сиязи по сравнению с радио- и СВЧ-системами связи и направляющими электрическими системами (см. гл. 16)

(кликните для просмотра скана)

Окончание табл. 1.1 (см. скан)