Волоконно-оптические системы передачи (часть 1)

11.1. История развития

Главное назначение любой системы связи - передача информации из одного пункта в другой. Информацию можно передавать при помощи высокочастотных электромагнитных колебаний (сигналов несущей частоты), которые модулируются низкочастотными информационными сигналами. Эти сигналы распространяются по каналу связи и поступают на приемное устройство, где производится демодуляция и выделение информационного низкочастотного сигнала. В качестве несущей может использоваться частота радиодиапазона (10⁴...10⁸ Гц) или СВЧ-диапазона (10⁹…10¹² Гц). При этом передача информации осуществляется либо через атмосферу (радиосвязь, телевидение), либо по электрическим кабелям (телефония, кабельное телевидение).

При передаче информации модулированными электромагнитными колебаниям необходимо, чтобы частота модуляции была в 10...100 раз меньше несущей частоты. Кроме того, частоты модуляции занимают некоторую полосу частот и ширина ее должна быть тем больше, чем больше объем передаваемой в единицу времени информации. Так, для передачи речи достаточна полоса частот от 10 до 1000 Гц, для передачи же музыкальной программы нужна полоса от 10 до 10000 Гц. Поэтому, например, при передаче музыки несущая частота не может быть меньше 10⁵ Гц. В связи с этим в области частот от 10⁵ до 10⁸ Гц одновременно может работать до 10 тыс. радиостанций, каждая на своей несущей частоте. Конечно, в СВЧ-диапазоне (от 10⁹ до 10¹² Гц) может работать большее число станций, но в силу особенностей распространения СВЧ излучения в атмосфере связь между станциями СВЧ-диапазона возможна только на расстоянии прямой видимости. На поверхности Земли это несколько десятков километров. Для передачи одного телевизионного канала требуется еще большая полоса частот - около 10⁷ Гц. Так что для передачи телевизионного изображения нужна несущая частота 10⁸ Гц. Поэтому в СВЧ-диапазоне можно передавать всего 100 телевизионных программ.

Частота видимого излучения около 10¹⁵ Гц, поэтому, если в качестве сигнала несущей частоты использовать оптическое излучение, то информационная емкость канала связи может быть многократно увеличена. По оптическому каналу теоретически возможна одновременная передача 10¹³ телефонных разговоров или 10⁸ телевизионных программ.

Люди пользовались для передачи информации оптическими сигналами еще в незапамятные времена. Когда-то это были костры, зажигаемые на высоком месте и извещающие людей об опасности. В древней Греции для связи использовались зеркала, отражающие солнечное излучение. И в наши дни на флоте для обмена информацией между судами или между судном и берегом используют специальные прожекторы, называемые фонарями Ратьера. Таковы были первые шаги оптической связи.

Интерес к оптической связи возродился в начале 60-х годов, после изобретения лазеров. В качестве тракта передачи использовались приземные слои атмосферы и световоды с периодической коррекцией расходимости и направлениями луча с помощью системы линз и зеркал. Но открытые линии оказались подверженными влиянию метеорологических условий и не обеспечивали необходимой надежности связи. Световоды с дискретной коррекцией оказались весьма дорогостоящими, требовали тщательной юстировки линз и сложных устройств автоматического управления лучами. Они не нашли практического применения в сетях связи.

Создание высоконадежных оптических систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малым ослаблением. Лазер и оптическое волокно послужили основой для создания оптических систем связи высокой эффективности, обеспечивающих возможность передачи различной информации на любые расстояния.

Идея волоконно-оптической связи была высказана в статье Као и Хокэма в 1966 году. Практическая реализация этой идеи сдерживалась большим затуханием в оптическом волокне (порядка 1000 дБ/км). В 1970 году было получено волокно с затуханием 20 дБ/км, а в 1975 – 2 дБ/км. К 1980 г. многие фирмы выпускали волокно с потерями менее 10 дБ/км, были созданы надежные полупроводниковые источники и приемники оптического излучения. С этого времени во всех странах с развитой сетью связи началось интенсивное внедрение волоконно-оптических систем в традиционные телефонные сети.