Волоконно-оптические линии связи

полости человеческого тела. Удалось даже изготовить так называемые

упорядоченные жгуты: каждое отдельное светопроводящее волокно на конце

жгута находилось точно на том же месте поперечного сечения, как и на

противоположном конце жгута. Эти упорядоченные жгуты делают возможным

передачу изображения при условии его освещения.

Световодное волокно существовало уже в начале 60-х годов,

упорядоченные и неупорядоченные жгуты были изготовлены многими ведущими

оптическими фирмами и внедрены в технику и медицину. Но у них имелся

существенный недостаток, который делал их с самого начала не применимыми

для передачи сообщений. Их пропускная способность была слишком мала для

применения в ряде технических областей. Простой расчет указывает на это.

Обычное оптическое стекло обладает ослаблением света приблизительно от 3 до

5 дБ/м (при измерении в соответствующем диапазоне волн). Отношение

мощностей [pic] измеряется в технике связи в децибелах (дБ). Коэффициент

ослабления в децибелах равен [pic]. Ослабление светового сигнала в 20 дБ

означает уменьшение световой мощности в 100 раз, ослабление в 3 дБ —

уменьшение мощности вдвое.

Среди отобранных для технических целей стекол можно найти образцы с

несколько лучшими значениям ослабления (от 0,4 до 0,8 дБ/м), а для

кварцевых стекол можно достигнуть 0,2 – 0,3 дБ/м. Но даже при использовании

кварцевых стекол на каждых 100 м длины световода подведенная световая

мощность падает на 30 дБ, т. е. в 100 – 1000 раз. Основная часть света

поглотилась бы световодом, превратилась бы в теплоту или была рассеяна

через боковую поверхность световода.

Хотя ослабление в медных проводниках не многим меньше, они перекрывают

расстояния (в зависимости от конструкции и вида передаваемой информации) в

несколько километров, пока сигнал не ослабнет настолько, что окажется

необходимым включить промежуточный усилитель (повторитель), который

усиливает сигнал и заново подает его в кабель. Много таких усилителей

располагают, как правило, между устройствами двух телефонных абонентов,

однако в оптической линии связи расстояние между двумя соседними

усилителями, называемое также длиной усилительного участка, составляет

менее 1 км, а для указанных выше значений ослабление достигает 100 м. С

технико-экономической точки зрения такая линия передачи не приемлема.

Для применения в технике связи необходимо было уменьшить ослабление в

световоде. При этом можно было бы удовлетвориться значением 30 дБ/км вместо

500 для имеющихся оптических стекол. Этого было бы достаточно для

перекрытия расстояния в 1 км. Специалисты в области производства стекла еще

в середине 60-х годов считали такое требование абсолютной утопией и

указывали на высокий уровень технологии оптических стекол, который едва ли

можно было улучшить. Разработки начались с дорогостоящих и продолжительных

работ над световодами со стеклянными и газовыми линзами.

К счастью, как это уже неоднократно бывало в истории техники,

оптимисты опять не поверили оценкам экспертов. Они начали работать над

улучшением “неулучшаемых” оптических стекол.

В 1970 г. в результате достижения высокой чистоты исходного материала

американской фирме Corning Glass удалось выплавить стекло с ослаблением

около 30 дБ/км. Для этой цели необходимо было снизить относительное

содержание металлических компонентов в исходном материале стекла до [pic] и

менее.

Двадцать лет назад возникновение полупроводниковой техники поставило

технологию материалов перед совершенно новыми проблемами, то же произошло и

при разработке технологии получения стекла.

С этого момента все другие решения были забыты. Целью стал максимально

прозрачный световод. Достигнутые в лаборатории, а вскоре и в опытном

производстве значения ослабления заметно снизились, и пятью годами позже

были получены образцы с ослаблением 5 дБ/км, т. е. гораздо меньше, чем

надеялись. Открылись новые пути: в определенны областях длин волн

ослабление измерялось значениями, гораздо меньшими 1 дБ/км; длины

усилительных участков, о которых в области электрической кабельной связи

приходилось только мечтать, в системах оптической связи стали предметом

обсуждения.

В таблице приведены ослабление и глубина проникновения (потери

мощности 50 % ) для различных светопрозрачных сред.

|Среда |Ослабление, |Глубина |

| |дБ/км |проникновения при |

| | |ослаблении 30 дБ, |

| | |м |

|Оконное стекло |50 000 |0,65 |

|Оптическое стекло |3 000 |10 |

|Густой туман |500 |60 |

|Атмосфера над городом |10 |3 300 |

|Световоды серийного производства |3 |10 000 |

|Опытные лабораторные световоды [pic]|0,3 |100 000 |

В середине 70-х годов работы по передаче сигналов по волоконно-

оптическим линиям приобрели широкий размах. Техника оптической связи

родилась во второй раз – и теперь окончательно.

Глава пятая

СВЕТОВОД — ПОСРЕДНИК МЕЖДУ ПЕРЕДАТЧИКОМ

И ПРИЕМНИКОМ

5.1 ОСЛАБЛЕНИЕ ОЗНАЧАЕТ ПОТЕРЮ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

Уменьшение потерь света являлось ключевой первоочередной проблемой

техники оптической связи. Два фактора являются основными причинами этих

потерь: поглощение света и рассеяние света.

Уже при обсуждении лазерного эффекта мы столкнулись с тем, что атомы

реагируют селективно на длину волны излучения в зависимости от структуры

оболочки и открытого Планком соотношения между энергией и частотой. Таким

образом, следует ожидать, что и (прозрачный( исходный материал нашего

световода, прежде всего лишенный примесей, прозрачен и не имеет

значительных потерь только в определенном диапазоне частот. На других

длинах волн возникает явление резонанса, при этом световая энергия

поглощается и превращается в теплоту.

Фактически чистое кварцевое стекло [pic], которое предпочтительно в

качестве исходного материала для световода, обнаруживает такие резонансы в

области длин волн 10 – 20 мкм. Эта область лежит за пределами области длин

волн, используемых сегодня в технике связи. В спектральной области, в

которой излучают современные лазеры и светоизлучающие диоды, максимальное

значение ослабления в [pic] мало, но для длин волн свыше 1,6 мкм его

действие ощутимо и возрастает с увеличением длины волны.

К сожалению, требуемая чистота кварцевого стекла практически едва

достижима. Как правило, светопроводящий материал более или менее загрязнен.

При этом прежде всего следует назвать ионы металлов (железа, хрома,

кобальта, меди). Их долю в [pic] необходимо уменьшить до значений [pic], на

столько подавляя максимумы поглощения энергии этими примесными материалами,

чтобы достигнуть коэффициента ослабления около 1 дБ/км и менее.

Исключительно важна также роль ионов ОН. Их главный резонанс имеет длину

волны около 2,7 мкм и со своими гармониками (второй, третьей и т. д.)

является причиной более или менее значительных максимумов ослабления на

длинах волн 1,35, 0,95 и 0,75 мкм. А эти значения довольно близки к длинам

волн современных лазеров на GaAs и светоизлучающих диодов и поэтому с точки

зрения связи представляют большой интерес. В связи с этим “обезвоженность”

стекла чрезвычайно важна.

Вторым существенным фактором влияния на потери в световоде является

рассеяние света. Оно возникает из-за неравномерностей, которые образуются

прежде всего в течение охлаждения в процессе плавки стекла. Их

количественная доля в общем ослаблении различна для стекла и газа и зависит

от технологии и от применяемого исходного материала. Во всяком случае

типичным является сильный спад мощности с увеличением длины волны, а именно

на четверть значения. Итак, чтобы получить меньшие значения потерь на

рассеяние, целесообразно применять возможно большие длины волн.

5.2 РАЗНИЦА ВО ВРЕМЕНИ ПРОБЕГА ОГРАНИЧИВАЕТ

ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИИ СВЯЗИ

Упомянутые в ( 4.1 оптимистичные прогнозы об огромной пропускной

способности оптических кабелей, связи исходят из соображения, что ширина

полосы передаваемого сигнала всегда должна быть несколько меньше, чем сама

несущая частота.

Пропускная способность стеклянного волокна не безгранична.

Чтобы передать телефонный разговор как последовательность импульсов,

необходимо передать большое число (конкретно 64 000) двоичных знаков в

секунду (64 000 бит/с или 64 кбит/с). Чтобы преобразовать непрерывно

изменяющийся ток микрофона в двоичный сигнал, его необходимо прежде всего

воспроизвести с помощью импульсов. Найденные значения амплитуды теперь

будут изображаться двоичным числом и посылаться как двоичные сигналы между

двумя посылками импульсов. Со стороны приемника следует такое же обратное

преобразование. Чтобы передать сигнал с более высоким качеством, необходимо

различать по меньшей мере 256 амплитудных значений микрофонного тока.

Поэтому требуется восьмикодовая система (8 двоичных знаков на кодовое

слово) для каждого значения импульсной посылки. Для передачи одного

движущегося телевизионного изображения требуется скорость передачи 80 млн.

бит в секунду (80 Мбит/с).

В качестве пропускной способности линии — все равно из меди или стекла

— принимается наибольшая скорость передачи сигнала через эту линию,

измеренная в битах в секунду (бит — двоичная цифра).

Единица двоичной информации может быть приблизительно пересчитана в

соответствующую ширину полосы частот, как обычно делается в аналоговой

передающей технике для обозначения характеристики сигналов или кабелей. Так

как для передачи информации со скоростью 2 бит/с теоретически требуется

ширина полосы по крайней мере 1 Гц (практически около 1,6 Гц), можно

приблизительно определить скорость передачи сигнала или пропускную

способность в битах в секунду и соответствующую ей ширину полосы

пропускания в герцах.

Возьмем для примера двоичный закодированный телефонный сигнал. Каждый

единичный сигнал этой последовательности (единичный импульс тока или света)

должен быть не длиннее, чем 1/64000 с, чтобы не мешать следующим сигналам.

Пропускная способность линии принципиально тем выше, чем короче импульсы

можно по ней передать.

Точно так же существуют границы и для световода. Принцип его действия

ранее упоминался: свет распространяется зигзагообразно в светопроводящем

сердечнике благодаря полному внутреннему отражению от стенок, к внешней

стороне которых примыкает среда с малым коэффициентом преломления —

оболочка. Это полное отражение связано с одним условием. Угол между

световым лучом и оптической осью световода должен быть не более предельного

угла полного внутреннего отражения [pic]. Он определяется отношением

показателей преломления в сердечнике [pic], и в оболочке [pic]:

[pic]

Можно было бы отдать предпочтение волокну с большим различием

показателей преломления, так как оно, очевидно, может воспринять и передать

больше света от источника с большим углом излучения. Это преимущество было

бы действительно решающим, если бы требования стояли только в возможно

более высокой пропускной способности световода.

5.3 ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ

В одномодовых (мономодовых) и многомодовых световодах разная (в

одномодовых больше из-за их толщины стержня). Вызванный различной длиной

пробега в световоде временной разброс элементов выходного сигнала и как

следствие рассеяние части энергии на выходе световода называют модовой

дисперсией. К сожалению, она является не единственной причиной ограничения

пропускной способности. Необходимо еще добавить так называемую материальную

дисперсию. Она состоит в том, что показатель преломления [pic] стержня

световода зависит от длины волны. Длинноволновые красные лучи отклоняются

меньше, чем коротковолновые синие. Этот эффект не имел бы значения для

техники световой связи, если бы применяемые источники излучали свет только

одной длины волны. К сожалению, этого не бывает. Хотя ширина спектра

полупроводникового лазера относительно узка, он излучает свет в некотором

интервале длин волн шириной несколько нанометров. Светоизлучающий диод в

этом отношении значительно превосходит его — приблизительно на 30 — 40 нм.

Ограничение этой полосы невозможно без потери энергии. Именно эти различные

спектральные составляющие излучения проходят через световод с различной

скоростью [pic], что, конечно, приводит к уширению импульса и ограничивает

пропускную способность световода.

В волокне со ступенчатым профилем показателя преломления преобладает

модовая дисперсия вследствие большой разницы времен пробега между осевым и

граничными лучами. В градиентном световоде с оптимальным профилем

показателя преломления обе дисперсии становятся приблизительно одинаковыми.

Напротив, в мономодовом волокне модовая дисперсия не имеет значения и

только материальная дисперсия определяет характеристику передачи.

И третий фактор, влияющий на качество передачи — волноводная

дисперсия. Она возникает только в мономодовых световодах, а именно потому,

что единственная способная к распространению мода имеет скорость

распространения, зависящую от длины волны.

Анализ причин и влияния материальной дисперсии на характеристики

передачи позволили сделать выводы, которые представляют исключительный

интерес для практики и оказывают решающее влияние на дальнейшее развитие

световодной техники. Прежде всего выяснилось, что уширение импульса,

вызванное материальной дисперсией, в значительной степени определяется

микроструктурой зависимости показателя преломления данного светопроводящего

материала от длины волны. Если на графике такой зависимости имеется

участок, на котором кривая стремится к нулю, то на этой длине волны можно

ожидать минимального уширения импульса и пренебречь влиянием материальной

дисперсии.

Действительно, на кривых профиля показателя преломления можно найти

такую точку, например, для кварцевого стекла при [pic]. Это означает, что

если среди узкополосных источников света имеются такие, для которых

материальная дисперсия равна нулю, то соответственно пропускная способность

принимает максимальное значение.

Исходя из значений материальной дисперсии можно рассчитать для

различных длин волн уширение импульса и из этого затем скорость передачи

для лазера (спектральная ширина около 2 нм) и для светоизлучающего диода

(спектральная ширина около 40 нм). Даже для светоизлучающего диода в этой

области длин волн можно ожидать скорости передачи свыше 1 Гбит/с на 1 км.

Для лазеров экспериментально было получено значение 1,4 Гбит/с на 1 км!

Понятно, что эта область длин волн нулевой дисперсии световода представляет

большой интерес.

Только что названные характеристики передачи реальны и указывают на

технические возможности, которые, имеются в простых многомодовых световодах

и сегодня еще не исчерпаны. Нельзя забывать, однако, что столь высоких

значений скорости передачи можно достигнуть только путем обеспечения

оптимальных параметров светоизлучающего диода для определенной длины волны,

которые для других длин волн создают худшие условия передачи. Кроме того,

требуется соблюдение очень малых, допусков при изготовлении световода для

обеспечения требуемого профиля показателя преломления, что несомненно

удорожает световод.

Интересны и важны также изложенные выше соображения о том, что в любом

случае не может быть создан световод с максимальной пропускной

способностью. Для большинства областей пропускная способность применения

световода достаточна. При этом оказывается возможным применить более

простые электрические соединители и получить больший КПД при соединении и

т. д.

5.4 ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА

Одиночная двухпроводная цепь, одиночная коаксиальная пара являются в

электрической технике связи редким явлением. Как правило, электрический

кабель состоит из нескольких пар. Общая броня защищает их от окружающего

влияния различного рода — повреждения грызунами, влажности и механических

воздействий.

Световод, так же как и электрический проводник, помимо применения в

качестве одиночного проводника света включается в состав оптического

кабеля, и к нему предъявляются требования, аналогичные требованиям,

предъявляемым к электрическим кабелям.

Однако электрические проводники и световоды настолько сильно

различаются, что было бы удивительно, если бы электрические и оптические

кабели не отличались между собой по конструкции, способам монтажа,

прокладки и эксплуатации. Вместе с тем имеется многолетний опыт

механической защиты тонких проводников (медные провода толщиной в десятые

доли миллиметра используются достаточно широко), который может быть

использован для защиты чувствительных стеклянных волокон.

Когда речь идет о различии между световодами и медными проводниками,

необходимо назвать основное свойство, которое до сих пор вообще еще не

называлось: абсолютная нечувствительность световода по отношению к помехам

от электрического и магнитного полей. Здесь можно было бы сказать, что

экранирование электрических кабелей для защиты их от внешних

электромагнитных помех абсолютно излишне в оптических кабелях.

Основную роль играет, конечно, сам материал — стекло, которое

выступает теперь в качестве заменителя ценного цветного металла — меди.

Этот материал-заменитель обусловливает большой экономический выигрыш.

Запасы меди в мире постоянно истощаются, а цены растут. По некоторым

прогнозам еще на исходе столетия месторождения на суше, известные сегодня,

будут исчерпаны. Основной материал для стеклянных оптических волокон —

кварцевый песок — имеется в больших количествах. В технике связи несколько

килограммов меди могут быть заменены 1 г стекла высокой очистки, если за

основу принять одинаковую пропускную способность кабеля.

Из этого соотношения следует еще одно преимущество: оптические кабели

легче электрических. Это особенно заметно в кабелях с высокой пропускной

способностью — из-за малого диаметра световода. Ясно, что оба эти свойства

являются, непосредственным преимуществом во многих областях применения.

Наконец, необходимо указать на фактор гальванической развязки

передатчика и приемника. В оптической системе они электрически полностью

изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и

снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении

электрических кабелей, теряют силу.

Наряду с этими полезными параметрами необходимо конечно, назвать

другие, по которым оптические волокна уступают меди и которые должен

учитывать конструктор кабелей.

Это прежде всего чувствительность незащищенного волокна к водяному

пару. Это критическое свойство было очень скоро обнаружено, но было также

обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода

защитной пленкой толщиной несколько микронметров непосредственно в процессе

вытягивания волокна.

Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью

защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и

его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при

неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются

уже через несколько часов или дней.

Механический предел прочности при разрыве для волокна довольно высок и

соответствует прочности стали. Однако стекло хрупко, изгибы с малым

радиусом волокно не выдерживает и ломается. Но и этот недостаток

относителен: стекловолокно, снабженное упомянутым тонким защитным слоем,

вполне можно обмотать вокруг пальца, а некоторые сорта – даже вокруг

тонкого карандаша. Учитывая это типичное свойство стекла, необходимо,

конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда несколько световодов

объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и

скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при укладке.

Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические

перегрузки световода. Но опасны не только разрушение волокна, но и

микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на

шероховатой поверхности в условиях приложения растягивающей силы, и могут

вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в

демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к

витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He—Ne

лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на

световые потери, вызванные микроизгибами.

Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд

решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении

кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были

несколько длиннее, чем кабель. На рисунке показана повивно-концентрическая

конструкция, она применяется очень часто. При этом световоды лежат свободно

в тонких гибких трубках или на них накладывается пористая изоляция.

При колебаниях окружающей температуры от конструкции кабеля

существенно зависят механические силы, которые действуют на световод.

Единственным слабым местом, кажется, является оболочка волокон со

ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который

лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в

неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, чем будут

нарушены условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся

дополнительные потери на излучение.

Глава шестая

ИСТОЧНИКИ СВЕТА — СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И ЛАЗЕР

6.1 ЧТО ОЗНАЧАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ?

Известным примером устройства, работающего в импульсном режиме,

является радиолокационная станция. Радиолокационный передатчик посылает

через антенну очень короткий высокочастотный импульс. Импульс пробегает

пространство со скоростью света, частично отражается от металлического

объекта и через определенное время возвращается в радиолокационную станцию.

Между тем радиолокационная станция переключается на прием и, получив

отраженный импульсный сигнал, вычисляет дальность до объекта, исходя из

разницы времени между передачей и приемом импульса. Процесс периодически

повторяется, но с относительно большими интервалами, так что в большинстве

случаев говорят об одном импульсном сигнале. Даже когда радиолокационная

установка посылает 1000 имп/с, интервал между импульсами (1 мс) намного

превышает длительность импульса, которая обычно короче 1 мкс.

Тот же принцип применяется в оптической технике связи, а именно для

важного случая поиска места повреждения световодного кабеля. Оптический

локационный импульс посылается в испытуемый кабель, а в качестве индикатора

повреждения используется отраженный свет. Отражения появляются при этом от

всех неоднородностей cветовода, особенно там, где световод разрушен. Из

разности времен пробега, измеренной на осциллографе, можно вычислить место

повреждения кабеля с точностью до 1 м.

Примером передачи непрерывного сигнала является передача по световоду

непрерывного телефонного или видео сигнала. Из непрерывного электрического

сигнала при этом получается такой же непрерывный световой сигнал, который

колеблется между значениями минимальной и максимальной световой мощности

[pic]. Электрический ток за счет полупроводникового лазера или

светоизлучающего диода образует выходную мощность Р. При этом электрический

сигнал может быть биполярным, т. е. может принимать положительные и

отрицательные значения (например, речевой сигнал или любое другое

переменное напряжение), или однополярным (телевизионный сигнал, выходной

сигнал кодового модулятора). Но световой сигнал в обоих случаях

однополярный (отрицательная световая мощность невозможна).

Свет лазера и светоизлучающего диода окажется таким образом

промодулированным по интенсивности сигналом, воздействующим на ток диода.

Существенным различием между этой непрерывной работой светового источника и

импульсным режимом являртся то, что при импульсной работе средняя световая

мощность очень мала по сравнению с пиковой мощностью [pic]. При непрерывной

работе (или “в режиме непрерывного излучения”) средняя световая мощность

составляет примерно половину пиковой мощности, т. е. она того же порядка,

что и максимальная мощность.

Здесь необходимо указать на следующее: бинарный сигнал (например,

выходной сигнал импульсно-кодового модулятора согласно) едва ли можно

назвать импульсной последовательностью с точки зрения обработки сигнала;

наоборот, относительно модуляции передатчика его нужно рассматривать как

сигнал непрерывного излучения. Его средняя световая мощность равна точно

[pic]/2, так как обычно длина и вероятность появления сигналов 0 и 1

одинаковы.

В световодной технике связи двоичный сигнал играет исключительную

роль, потому что как светоизлучающие диоды, так и лазеры имеют более или

менее нелинейную зависимость мощности от тока. Двоичные сигналы к этому

нечувствительны, а непрерывные искажаются из-за нелинейности.

Таким образом, нужно следить за тем, чтобы, как правило, передача

сообщении (непрерывными и даже двоичными сигналами) шла только с помощью

световых передатчиков, которые пригодны и для непрерывного режима работы.

6.2 ТИП ИСТОЧНИКА ОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ

Первые полупроводниковые лазеры не могли работать в непрерывном

режиме, во всяком случае при комнатной температуре. Причиной этого были

большие потери мощности.

Лазерный эффект начинается сразу, как только индуцируемая световая

мощность станет больше, чем потери на световом пути в объемном резонаторе.

Необходимая для этого плотность тока возбуждения в активном элементе

лазера, называемая порогом генерации лазера, ниже порогового тока: лазер

еще не генерирует стимулированного излучения. Эта пороговая плотность тока

зависит от внутренней структуры полупроводникового лазера в окрестности р-n

перехода, особенно от применяемых материалов и концентрации примесей.

В первой и самой простой конструкции, так называемом гомолазере,

рекомбинация носителей заряда и генерация света происходили в довольно

широкой области вокруг р-n перехода. Поэтому потери на ослабление в

объемном резонаторе были очень велики. Для превышения порога генерации

должны были протекать значительные токи, которые приводили к сильному

нагреву лазерного диода. Такие диоды можно было использовать в лазерах

только в импульсном режиме. Существенное уменьшение пороговой плотности

тока и потерь мощности было получено в результате введения простой и

двойной гетероструктур. С этой целью р-n переход имеет с одной или двух

сторон дополнительные слои, в силу чего благодаря свойствам их материала и

примесям толщина электрически и оптически активной зоны лазерного диода

сильно сужается. Этим ограничивают электрический диапазон возбуждения и

одновременно рекомбинацию носителей заряда и генерацию света. Кроме того,

путем изменения показателя преломления в области р-n перехода достигается

определенный ход лучей света и в результате этого — уменьшение оптических

потерь.

С помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые

позволили получить импульсный режим при комнатной температуре.

Используя импульсные токи 40 А, можно при комнатной температуре

достигнуть импульсной световой мощности 10 Вт, правда, в предположении

хорошего теплоотвода, частоты, большей или равной 10 кГц, и ширины

импульса, меньшей или равной 200 нс (коэффициент заполнения 1:500!); р-n

переход с одной стороны имеет дополнительный слой GaAlAs.

6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ

Простые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без

объемного резонатора с двумя зеркалами, типичного для лазера, применяются

для конструирования светоизлучающих диодов. При этом индуцируемое в

результате рекомбинации носителей зарядов световое излучение

распространяется во всех направлениях и задерживается в элементе только

вследствие различных коэффициентов пропускания слоев или из-за неизбежных

контактных поверхностей электродов и поверхностей охлаждения.

В простейшем случае здесь можно использовать и выводить излучение,

распространяющееся в плоскости активной зоны. Подобные диоды называются

краевыми излучателями. Если устроить в электроде окно, то можно направить

излучение перпендикулярно плоскости активной зоны и получить поверхностный

излучатель.

Для лазеров связь со световодами обычно сложна, хотя и проще, чем для

светоизлучающих диодов. Малые размеры поперечного сечения светового

отверстия вызывают там сильную дифракцию выходящего света.

6.4 СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является

срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы

выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее

гарантированное для указанного времени значение даже за счет повышения тока

в диоде.

Если оптический передатчик, например на узле связи, должен проработать

без замены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок

службы около 100000 ч (считая продолжительность года равной приблизительно

10000 ч). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к

действительному. Хотя для них редко называют гарантийные сроки службы, но

обычны значения в несколько лет. К сожалению, для, лазерных диодов подобные

сроки службы не достигнуты. Только в 1970 г. в лаборатории появился первый

работоспособный лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной

температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны различные

структуры и геометрии, приемлемые для конструирования и изготовления

лазеров непрерывного излучения, работающих при комнатной температуре.

Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только

после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже

сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени

измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких условиях

(как правило, при очень высоких температурах, [pic]). На основании этого

судят об ожидаемом сроке службы в нормальных условиях. При этих

предположениях в конце 70-х годов многими изготовителями предсказывались

ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 ч, а в отдельных случаях — свыше

1 млн. ч. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует

гарантия наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно доверять.

Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют

оптимистические прогнозы.

Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться от привычной в

настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется

для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и

температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую

мощность.

6.5 ЛАЗЕР ИЛИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?

В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом.

Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них

лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.

Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов

источников с годами она будет, естественно падать, но все же

светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле лазера

со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь необходимой

для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют

относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда

применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световодами с

относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в

пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно

большую часть излучаемого света.

Типичные параметры полупроводниковых источников света.

|Параметр |Светоизлучающи|Краевой |Лазер |

| |й диод типа |излучатель |(полосковая |

| |Брусса | |геометрия) |

|Вводимая в световод | | | |

|мощность, | | | |

|мкВт: | | | |

|сердечник [pic]50 мкм; |1-10 |200-100 |500-2000 |

|числовая апертура 0,2 | | | |

|сердечник [pic]200 мкм; |20-200 |100-500 |2000-5000 |

|числовая апертура 0,3 | | | |

|Время нарастания импульса, |10-50 |3-10 |0,3-1 |

|нс |40 |40 |20 |

|Ширина спектра, нс | | | |

Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции.

Светоизлучающие диоды прежде всего “медлительнее” лазеров. В зависимости от

конструкции имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть

модулированы частотами 30 — 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые

двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется

лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит

в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя

светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее

время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150

Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде

более высокой выходной мощности (см. табл.).

Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой

полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего

диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства

световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство

излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода

в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой

полосы частот. Это свойство может играть существенную роль, когда речь

идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность

световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в

минимальных пределах.

Глава седьмая

СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ

7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию

(передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).

Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с

самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему

передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника,

которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в акустические

или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут

осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы нет. Все

существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе

электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем

управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических

сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет

электрического тока.

На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К

сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде

всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен,

но еще не готов к техническому воплощению.

Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача

преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или

восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах). Этот

восстановленный электрический сигнал вторично используют для управления

лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает усиленный

световой сигнал.

7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ

В оптических системах связи, в которых на выходе каждого отдельного

световода должен быть установлен чувствительный фотоприемник, вводятся два

прибора которые могут, быть выполнены методом микроэлектронной технологии.

Речь идет о p-i-n фотодиоде и лавинном фотодиоде. Оба используют внутренний

фотоэффект, который проявляется в этом специальном случае непосредственно в

окрестностях р-n перехода.

7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ

Понятие, которое имеет решающее значение для функционирования каждой

системы связи, — помехи.

Насколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети

питания или отказов каких-либо элементов, встречающиеся в каждом приборе

или устройстве, настолько же не одинаковы помехи, вызванные

электромагнитными полями. Это поля, создаваемые плохо экранированными

электродвигателями, радиоизлучениями автомобилей, часто вызывающими сильные

помехи в радио или телевизионной аппаратуре, и т. ц.

В условиях отсутствия шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать

длину усилительного участка. Требуется только соответственно увеличивать

мощность сигнала, поступающего на вход приемника. Но шум существует и

уменьшает чувствительность каждого приемника и возможности каждого

усилителя. Если мощность полезного сигнала на входе меньше мощности помех,

то сигнал перекрывается ею и не может быть выделен приемным устройством или

усилен. Даже когда сигнал и помехи имеют почти одинаковую мощность, шум

становится довольно значительным. Причины и источники шумна разнообразны. К

ним относятся корпускулярные шумы электрического тока (дробовой шум),

температурные шумовые процессы, шумы квантования световых пучков. Источник

света сам вносит в систему шумовые составляющие, добавляют их также

фотодиод и оконечный электронный усилитель. Если используется лавинный

фотодиод, то возникают дополнительные шумовые составляющие из-за эффекта

умножения в этом элементе.

Если рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то

можно установить, что различные шумовые источники проявляют себя в нем тем

или иным способом. Вместо чистой формы сигнала, которой модулировалась

выходная мощность светового сигнала передатчика, на вход приемника

поступает сигнал, амплитуда которого случайным образом более или менее

меняется вблизи данного значения. Средние значения соответствуют истинной

форме переданного сигнала, но мгновенные значения отклоняются от заданного

вследствие влияния помех. Первоначальный сигнал можно лишь приблизительно

выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.

7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТ БЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?

Основная задача — обеспечение того, чтобы посланный сигнал с

достаточной для соответствующей цели точно воспроизводился в приемнике, т.

е. разработчик будет пытаться по возможности приблизиться к первоначальной

(правильной) форме сигнала путем получения среднего значения по возможно

большому количеству мгновенных значений сигнала, искаженного помехой. Для

этого служат, различного рода электрические фильтры. Конечно, для

усреднения амплитуды сигнала можно использовать только такое количество

мгновенных значений сигнала, чтобы сами полезные изменения сигнала не были

сглажены и не оказались из-за этого потерянными. То, что остается после

этой фильтрации, более не уничтожается. С этим разработчик системы должен

считаться и, например, выбирать длину передающей линии настолько короткой,

чтобы мощность сигнала не оказалась близкой к мощности шумового фона.

Для инженера связи из этой модели формирования среднего значения

следует важный вывод: качество передачи сигнала при одинаковом уровне помех

тем лучше, чем медленнее изменяется сигнал (так как тем большими могут быть

интервалы времени усреднения и тем точнее получаемый результат) и чем

меньше необходимая для данной цели ширина полосы частот (пропускная

способность).

Из этих рассуждений ясно, что для фотоприемника имеется нижняя граница

мощности принимаемого сигнала. На этой границе мощность сигнала в

определенное число раз больше суммарной мощности шумов, которые появляются

в приемнике. Этот коэффициент обозначается как отношение сигнал/шум и

выражается в децибелах. Если необходимо передать двоичные сигналы, то

достаточно, например, отношения сигнал/шум (в электрическом сигнале),

равного 18 дБ. Это означает, что полезная мощность приблизительно в 63 раза

больше, чем наложенная шумовая мощность, что позволяет осуществить

достаточно достоверное распознавание одиночного импульса. Если, напротив,

необходимо передать непрерывные сигналы, которые реагируют на помехи

гораздо чувствительнее, чем двоичные, то отношение сигнал/шум должно быть

выше и в зависимости от рода сигнала и требуемого его количества должно

достигать 30 — 60 дБ.

По крайней мере существуют два других фактора, которые, как и

ослабление, ограничивают длину усилительного участка: материальная

дисперсия и модовая дисперсия. С увеличением длины усилительного участка

они вызывают уширение посланного импульса и при этом тем большее, чем выше

пропускная способность линии. Так как модовая дисперсия зависит от

конструкции световода (для световода с градиентным профилем показателя

преломления она гораздо меньше, чем при ступенчатом показателе), то тип

применяемого световода при заданной пропускной способности линии, пожалуй,

гораздо сильнее ограничивает дальность действия, чем ослабление. Таким же

образом, ограничивая длину линии световода с малой модовой дисперсией и

малым ослаблением, можно влиять на ширину спектра источника света

(например, использовав светоизлучающий диод).

Итак, на вопрос о дальности действия оптической связи однозначного

ответа может не быть, так как имеется ряд факторов, влияние которых

необходимо учитывать при проектировании.

Глава восьмая

МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ

Абоненты — это не только мы сами или наши соседи, с которыми мы хотим

общаться дома или на работе. Это все увеличивающееся число машин, выдающих

и принимающих информацию.

В сети связи, только распределяющей информацию (например, радио- или

телевизионной), абонент расположен на большой линии коллективного

пользования, из которой он получает для себя необходимую информацию. В

телефонной сети, которая передает разговоры, каждый абонент имеет до любого

места (в основном до оконечной коммутационной станции) свою собственную

линию. Только после этого несколько, а затем множество сигналов абонентов

объединяются в пачку и передаются совместно, чтобы на конце вновь

разъединиться на отдельные линии, которые ведут к желаемым собеседникам.

Еще в середине 70-х годов существовала уверенность в том, что эта

часть сети, состоящая из отдельных проводников, должна остаться

металлической из экономических соображений. Впоследствии это мнение

изменилось.

Здесь прежде всего имеем дело с видом материала. Около 70% меди,

расходуемой на кабели связи, приходится на абонентские сети, хотя диаметры

проводников выбраны настолько малыми, насколько это возможно. Если бы в

будущем отрезки линий, передающих сигналы, выполнялись на оптических

элементах, то можно было бы сэкономить только лишь треть затрат на медь, а

абонентские сети необходимо было бы опять строить в каждом квартале

новостроек.

Дальнейшим важным направлением являются постоянно растущие

информационные потоки в промышленности, хозяйстве, а также в быту.

Радио- и телевизионная связь станут в ближайшем будущем встречаться в

каждом доме, и необходимость устройства абонентских вводов во многих

странах превышает их экономические возможности. Только в учреждения и на

заводы в ближайшие годы придут новые службы, польза и рентабельность

которых сегодня общепризнанны: телекопирование, конторский телетайп,

электронная почта, передача данных в самом широком смысле слова,

телеметрия, телеуправление и мониторное оборудование для различных

технических устройств. Для индивидуальных абонентов техника также движется

вперед. Уже испытываются известные во многих странах мира способы, с

помощью которых абонент сможет выбрать тексты, таблицы, диаграммы и

воспроизвести их на собственном экране.

Абонентские линии, которые мы сегодня прокладываем, должны быть

подготовлены для многих потребностей последующего десятилетия. Нынешнюю

систему электрической связи можно использовать только в качестве речевого

канала с небольшой полосой пропускания. Такая связь пригодна для

конторского телетайпа, а также для передачи данных. Уже при телекопировании

необходимо длительное время копирования — в лучшем случае свыше одной

минуты на каждую страницу формата АЧ, и каждое повышение скорости требует

увеличения полосы пропускания. До конца 80-х годов — таков прогноз

британского ведомства связи — в Англии до 50 % почты должно передаваться

электронным образом.

Но окончательно необходимо будет отказаться от сегодняшнего

абонентского симметричного кабеля с медными проводниками, если потребуется

хотя бы одно-единственное движущееся изображение. Тогда будет необходим

дорогой коаксиальный кабель или световод.

Такой прогноз развития в будущем является основой, которую учитывают

при создании широкополосной связи каждой квартиры по крайней мере с

близлежащей коммутационной станцией. Как должна выглядеть техника

оптической связи будущего, в частности упомянутая сеть оптической связи,

какие и сколько различных сигналов должно быть в этой многоцелевой

абонентской сети и как они должны будут передаваться, никто еще сегодня

конкретно и окончательно сказать не может. Хотя некоторые рабочие положения

сформулированы. Сообразно с ними телефонная связь (разговор и вызывной

сигнал) должна осуществляться в обоих направлениях, а кроме того, должен

передаваться и телевизионный сигнал. В соответствии с этим каждый абонент

получает отдельную оптическую широкополосную линию, к которой прежде всего

подключен его телефон и затем, возможно, видеотелефон и другие

высокоскоростные устройства.

Ряд вопросов при этом останется открытым. Один из них —

энергоснабжение аппарата абонента. Телефон, питаемый сегодня через

сигнальные проводники станционного источника питания, в дальнейшем не будет

иметь электрической связи с коммутационной станцией. Таким образом он

должен будет получать энергию от местной силовой сети. К этой идее

привыкли. Обычно электрическая передающая техника будущего ставит те же

требования автономного электропитания, правда, по другим причинам. При этом

электрическая развязка (абонентов и коммутационной станции), которая

обусловлена применением световодной техники, окажется целесообразной с

экономической точки зрения.

Оптическая абонентская сеть, широкополосный аппарат абонента в каждой

квартире более не являются утопией.

[pic]

[pic]

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Глазер В. “Световодная техника” М. Энегроатомиздат 1985г.

2) Савельев И. В. “Курс общей физики” М. Наука 1978, 1982г.

Страницы: 1, 2