100 великих изобретений

98. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

В XX веке человечество было свидетелем огромного скачка в развитии различных видов связи, особенно телефонии, радио и телевидения. Благодаря им, а также благодаря появлению спутниковой космической системы связи современный человек получил недоступную прежним поколениям возможность связываться с самыми дальними и глухими уголками планеты, видеть, слышать и знать обо всем, что происходит в мире. Однако при всех достоинствах традиционных видов связи каждому из них присущ и целый ряд недостатков, которые становятся все более чувствительными по мере нарастания объемов передаваемой информации. Несмотря на новейшие технологии, позволяющие значительно уплотнить передаваемую по кабелю информацию, магистральные телефонные линии все равно часто оказываются перегруженными. Примерно то же можно сказать о радио и телевидении, в которых информационные сигналы переносятся с помощью электромагнитных волн: все возрастающее количество телеканалов и радиостанций, вещательных и служебных, привело к возникновению взаимных помех, к ситуации, получившей название «тесноты в эфире». Это стало одним из толчков к освоению все более коротковолновых диапазонов радиоволн. Известно: чем короче используемые для вещания волны, тем больше радиостанций без взаимных помех может разместиться в данном диапазоне (это легко видеть, вращая настройку радиоприемника: если на длинных волнах мы можем поймать всего несколько радиостанций, то на коротких и ультракоротких волнах таких радиостанций уже десятки и сотни, они в буквальном смысле слова «сидят на каждом миллиметре»). Другой недостаток традиционных видов связи состоит в том, что для передачи информации вообще невыгодно пользоваться волнами, излучаемыми в свободное пространство. Ведь энергия, приходящаяся на какую-то определенную площадь фронта такой волны, убывает по мере увеличения фронта волны. Для сферической волны (то есть такой, которая распространяется равномерно во все стороны от источника) ослабление обратно пропорционально квадрату расстояния от источника волны до приемника. В результате, в современной радиотехнике тратятся огромные средства на выделение и усиление полезного сигнала. Совсем другая картина была бы в том случае, если бы информация посылалась узким направленным пучком или лучом. Потери при этом были бы намного меньше. Перечисленные недостатки заставляют предположить, что человечество находится на пороге важной революции в системе связи, которая приведет к тому, что в XXI веке основным ее видом станет оптоэлектроника, не имеющая всех этих недостатков. Ожидается, что уже в первые десятилетия наступающего столетия все новые телефонные, телевизионные и вычислительные системы будут соединяться волоконно-оптическими кабелями с использованием в качестве носителя информации лазерного излучения.

Эра современной оптической связи началась в 1960 году после создания первого лазера. Изобретение лазеров вообще породило надежду на быстрое и легкое преодоление проблем «эфирной тесноты». В самом деле, использование микронных волн видимого света для нужд связи вместо сантиметровых и миллиметровых радиоволн создавало возможность почти беспредельно расширить объемы передаваемой информации. Например, система связи на гелий-неоновом лазере имеет полосу пропускания, в которой можно одновременно разместить около миллиона телевизионных каналов. Однако уже первые опыты развеяли радужные иллюзии. Выяснилось, что земная атмосфера очень активно поглощает и рассеивает оптическое излучение и что лазеры (в том случае, если луч распространяется непосредственно через воздух) могут использоваться для нужд связи лишь на очень небольшом расстоянии (в среднем — не более чем в 1 км) Все попытки преодолеть это затруднение успеха не имели. Так обстояли дела, когда в 1966 году двое японских ученых Као и Хокэма предложили использовать для передачи светового сигнала длинные стеклянные волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях. Их статья заложила основы волоконно-оптической связи.

На чем же основано действие световодов? Из оптики хорошо известно: если направить световой луч из более плотной среды в менее плотную (например, из воды или стекла в воздух), то значительная часть его отражается обратно от границы двух сред. При этом чем меньше угол падения луча, тем большая часть светового потока окажется отраженной. Путем эксперимента можно подобрать такой пологий угол, при котором отражается весь свет и лишь ничтожная его часть попадает из более плотной среды в менее плотную. Свет при этом оказывается словно заключенным в плотной среде и распространяется в ней, повторяя все ее изгибы. Этот эффект «удержания света» можно наблюдать на примере распространения света внутри струи воды, которую он не может покинуть, постоянно отражаясь от границы воды и воздуха. Точно так же происходит передача светового сигнала по оптическому стеклянному волокну. Войдя внутрь него, световой пучок распространяется в различных направлениях. Лучи, идущие под малым углом к границе двух сред, полностью отражаются от нее. Таким образом, оболочка прочно удерживает их, обеспечивая светонепроницаемый канал для передачи сигнала практически со скоростью света.

В идеальных световодах, изготовленных из абсолютно прозрачного и однородного материала, световые волны должны распространяться не ослабевая, но практически все реальные световоды более или менее сильно поглощают и рассеивают электромагнитные волны из-за своей непрозрачности и неоднородности. (Поглощение внешне проявляется как нагрев световода; рассеяние — это когда часть излучения покидает волокно.) Стекло, которое кажется таким прозрачным в окнах, витринах и биноклях, в действительности оказывается далеко не однородным. Это легко заметить, взглянув через торец листового стекла. При этом сразу становится видна его слабая голубовато-зеленая окраска. Исследования показывают, что эта окраска вызвана небольшим количеством железа и меди, содержащимся в стекле. Даже в самых чистых стеклах, изготавливаемых для астрономических и фотографических объективов, имеется большое количество окрашенных примесей. В первых световодах, изготовленных из такого стекла, потери энергии были очень велики (на 1 м световода терялось более 50% введенного в него света). Однако и при таком качестве удалось создать приборы, позволявшие пропускать свет через изогнутые каналы, наблюдать внутренние поверхности металлических полостей, изучать состояние внутренних органов человеческого тела и т.п. Но для создания магистральных линий связи такие световоды были малопригодны.

Понадобилось около десятилетия для того, чтобы создать лабораторные образцы волоконных световодов, способных передать на 1 км 1% введенной в них мощности света. Следующей задачей было изготовить из такого волокна световодный кабель, пригодный для практического применения, разработать источники и приемники излучения. Простейший волоконный световод представляет собой тонкую нить из прозрачного диэлектрика. Передаваемые световые волны идут под малыми углами к оси световода и испытывают полное внутреннее отражение от его поверхности. Но использовать такой световод можно только в лаборатории, так как незащищенная поверхность стекла в обычных условиях постепенно покрывается пылинками, на ней развивается множество дефектов: микротрещин, неровностей, которые нарушают условия полного внутреннего отражения света внутри волокна, очень сильно поглощают и рассеивают лучи. Существенные дополнительные потери возникают в местах контакта световода с опорами, поддерживающими незащищенный кабель.

Радикальное изменение ситуации было связано с созданием двухслойных световодов. Такие световоды состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Если толщина прозрачной оболочки превосходит несколько длин волн передаваемого светового сигнала, то ни пыль, ни свойства среды вне этой оболочки не оказывают существенного влияния на процесс распространения световой волны в двухслойном световоде. Эти световоды можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения. Но для этого необходимо создать высокое совершенство границы между жилой и прозрачной оболочкой. Наиболее простая технология изготовления световода состоит в том, что стеклянный стержень-сердцевина вставляется в плотно подогнанную стеклянную трубку с меньшим показателем преломления. Затем эта конструкция нагревается.

В 1970 году фирма «Корнинг гласс» впервые разработала стеклянные световоды, пригодные для передачи светового сигнала на большие расстояния. А к середине 70-х годов были созданы световоды из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света в которых уменьшалась вдвое лишь на расстоянии 6 км. (Насколько прозрачно такое стекло, видно из следующего примера: если представить себе, что в окно вставлено сверхчистое оптическое стекло толщиной 10 км, то оно будет пропускать свет так же хорошо, как обычное оконное стекло сантиметровой толщины!)

Кроме световода волоконно-оптическая система связи включает в себя блок оптического передатчика (в котором электрические сигналы, поступающие на вход системы, преобразуются в оптические импульсы) и блок оптического приемника (принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы). Если линия имеет большую протяженность, на ней действуют также ретрансляторы — они принимают и усиливают передаваемые сигналы. В устройствах для ввода излучения в волоконные световоды широко применяются линзы, которые имеют очень маленький диаметр и фокусное расстояние порядка сотен и десятков микрон. Источники излучения могут быть двух типов: лазеры и светоизлучающие диоды, которые работают как генераторы несущей волны. Передаваемый сигнал (это может быть телевизионная передача, телефонный разговор и пр.) модулируется и накладывается на несущую волну точно так же, как это имеет место в радиотехнике.

Однако гораздо эффективнее передавать информацию в цифровом виде. При этом опять-таки совершенно неважно, какая информация передается таким образом: телефонный разговор, печатный текст, музыка, телевизионная передача или изображение картины. Первым шагом для преобразования сигнала в цифровую форму является определение его значений через определенные интервалы времени — этот процесс называется дискретизацией сигнала по времени. Доказано (и математически, и практически), что если интервал T, по крайней мере, в 2 раза меньше наивысшей частоты, содержащейся в спектре передаваемого сигнала, то этот сигнал может быть в дальнейшем восстановлен из дискретной формы без всяких искажений. То есть вместо непрерывного сигнала без ущерба для передаваемой информации можно подавать набор очень коротких импульсов, отличающихся друг от друга только своей амплитудой. Но нет необходимости передавать эти импульсы именно в таком виде. Поскольку все они имеют одинаковый вид и сдвинуты друг относительно друга на один и тот же временный интервал T, то можно передавать не весь сигнал, а лишь значение его амплитуды. В нашем примере разбивка по амплитуде идет на восемь уровней. Это означает, что значение каждого импульса можно интерпретировать как число в двоичном коде. Значение этого числа и передается по линии связи. Поскольку для передачи каждого двоичного числа необходимы всего две цифры — 0 и 1, то она очень упрощается: 0 соответствует отсутствию сигнала, а 1 — его наличию. На передачу каждой цифры в нашем примере идет время в 1/3 T. Восстановление переданного сигнала происходит в обратном порядке. Подача сигнала в цифровом виде очень удобна, так как фактически исключает всякие искажения и помехи.

Оптическая система связи пока еще относительно дорога, что сдерживает ее широкое распространение, но нет сомнения, что это лишь временное препятствие. Достоинства и преимущества ее настолько очевидны, что она непременно должна получить в будущем повсеместное применение. Прежде всего, волоконно-оптические кабели очень устойчивы к помехам и имеют малый вес. При освоении технологии их массового производства они могут оказаться гораздо дешевле используемых сейчас электрических кабелей, поскольку сырье для них уже сейчас намного дешевле. Но самое важное их достоинство состоит в том, что они имеют огромную пропускную способность — в единицу времени через них можно пропускать такие громадные объемы информации, какие невозможно передать ни одним из известных сейчас способов связи. Все эти качества должны обеспечить волоконно-оптическим линиям связи многогранное применение прежде всего в блоках ЭВМ (уже накоплен большой опыт создания микросхем, в которых используются микроскопические световоды; быстродействие таких микросхем примерно в 1000 раз больше, чем у обычных), в кабельном телевидении; затем произойдет замена телефонных кабелей на магистральных линиях и создание телевизионных кабелей; в перспективе ожидается объединение всех этих сетей в единую информационную сеть.

Во многих развитых странах (и прежде всего в США) уже сейчас многие телефонные линии связи заменены световодами. Практикуется создание городских оптико-волоконных сетей. Так, в 1976 году городская цифровая волоконно-оптическая телефонная система связи была установлена в крупном американском городе Атланте.