Волоконно-оптические линии связи

Эра современной оптической связи началась в 1960 году после создания первого лазера. Использование микронных волн видимого света для нужд связи вместо сантиметровых и миллиметровых радиоволн создавало возможность почти беспредельно расширить объемы передаваемой информации и преодолеть проблему «эфирной тесноты». Например, система связи на гелий-неоновом лазере имеет полосу пропускания, в которой можно одновременно разместить около миллиона телевизионных каналов. Однако выяснилось, что лазеры (при распространении непосредственно через воздух) могут использоваться для нужд связи лишь на очень небольшом расстоянии (в среднем — не более чем в 1 км). 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.

Из оптики известно: направленный световой луч из более плотной среды в менее плотную, в значительной его части отражается от границы двух сред. При определенном значении угла отражается весь свет с ничтожно малыми потерями. При передаче светового сигнала по оптическому стеклянному волокну происходит эффект «удержания света», оболочка прочно удерживает лучи, обеспечивая светонепроницаемый канал для передачи сигнала практически со скоростью света.

Первые световоды из стекла имели потери энергии, на 1 м терялось более 50% введенного света. Для создания магистральных линий связи такие световоды были малопригодны. Понадобилось около десятилетия для создания лабораторных образцов волоконных световодов в виде тонкой нити из прозрачного диэлектрика. Передаваемые световые волны идут под малыми углами к оси световода и испытывают полное внутреннее отражение от его поверхности.

Радикальное изменение ситуации было связано с созданием двухслойных световодов. Они состояли из световодной жилы, заключенной в прозрачную оболочку, показатель преломления которой был меньше, чем показатель преломления жилы. Их можно покрывать полимерной оболочкой и превращать их в световедущий кабель, пригодный для практического применения.

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.

Волоконно-оптическая система связи включает блок оптического передатчика (преобразователя сигнала в оптические импульсы), блок оптического приемника (принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы) и линзы устройств для ввода излучения с микронным фокусным расстоянием. Если линия имеет большую протяженность, на ней действуют также ретрансляторы. Источники излучения – лазеры или светоизлучающие диоды. Передаваемый сигнал модулируется и накладывается на несущую волну аналогично радиосигналу.

Эффективнее передавать информацию в цифровом виде. Первый шаг в преобразовании сигнала в цифровую форму – это его дискретизация по времени. Передавать можно не весь сигнал, а лишь значение его амплитуды. Разбивка по амплитуде интерпретируется как число в двоичном коде. Значение этого числа и передается по линии связи. Для передачи каждого двоичного числа необходимы всего две цифры — 0 и 1 (отсутствие и наличие сигнала, соответственно). На передачу каждой цифры затрачивается время в 1/3 T. Восстановление переданного сигнала происходит в обратном порядке. Подача сигнала в цифровом виде исключает искажения и помехи. И самое важное достоинство волоконно-оптических кабелей – огромная пропускная способность в единицу времени.