11.9. Применение лазеров в технике связи

Изобретение лазера создало предпосылки для создания оптических линий связи очень большой информационной емкости, так как частота его колебаний лежит примерно в области , чтов 100 тыс. раз выше, чем частота существующих в настоящее время высокочастотных систем связи. Однако вско­ре после первых экспериментов стало ясно, что открытая атмосфера является далеко не оптимальной средой для передачи излучения. Линия связи должна быть защищена от воздействия различного рода осадков и температурных из­менений, так как наличие дождя, тумана, снега, пыли значительно увеличивает затухание и связь прекращается.

Наиболее перспективной направляющей системой для оптической связи оказались диэлектрические волноводы или волокна, как их называют из-за малых размеров и метода получения. В 1972 г. затухание в волоконных световодах было , а в 1979 г. его удалось снизить до. Успехи в техноло­гии получения световодов с малыми потерями стимулировалиработу по созда­нию волоконно-оптических линий связи ВОЛС, которые, обладают рядом пре­имуществ по сравнению с обычными кабельными линиями:

–– высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнит­ным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель; значительно большая широкополосность;

–– малая масса и габариты; ожидается уменьшение массы и габаритов примерно в 10 раз по сравнению с существующими кабельными системами связи при одинаковом числе каналов связи. Это приведет к уменьшению стоимости и времени прокладки оптического кабеля;

–– полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования;

–– отсутствие коротких замыканий; волокна могут быть использованы для пересечения зон с горючими и легковоспламеняющимися средами без боязни ко­ротких замыканий, являющихся причиной пожара;

–– потенциально низкая стоимость; хотя волокна изготавливаются из сверх­чистого стекла, имеющего примеси меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость должна быть невелика. Кроме того, в производстве волокон не используются такие дорогостоящие цветные металлы, как медь и свинец, запасы которых на земле ограничены.

Оптические волокна должны иметь малое затухание в тех участках спект­ра, где существуют источники излучения. Для ВОЛС в качестве источников из­лучения используются лазеры и светодиоды. Передатчики ВОЛС должен рабо­тать при комнатной температуре, не требовать специальной системы охлажде­ния, быть компактным и удобным в обслуживании, иметь большую надежность. Наиболее перспективным лазером является полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой. В таких лазерах путем изменения тока можно осуществлять модуляцию излучения до 1 ГГц.

Для ВОЛС на короткие расстояния в качестве источника излучения используются светодиоды. Излучение светодиода из арсенида галлия соответствует инфракрасной области спектра , где волокна обладают малы­ми потерями. Эти светодиоды имеют большой КПД, компактны, просты в изготовлении, неприхотливы в работе.

Достигнутые успехи в разработке и испытаниях ВОЛС позволяют считать, что они уже в ближайшее время займут значительное место в технике связи, область их применений весьма широка — от линий внутригородской связи и бортовых комплексов до систем связи на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации, а также существенно улучшены и удешевлены существующие системы.

Разрабатываются ВОЛС для диапазона длин волн , где вначале были достигнуты малые потери в волокнах. Однако последние испытания оказали, что найболее обещающей областью длин волн для ВОЛС является . Здесь получены минимальные потери в волокнах и низкая дисперсия материала волокон. Однако на этих длинах волн пока отсутствуют достаточно эффективные и надежные излучатели и фотоприемники.

Широкополосные ВОЛС сделают в будущем видеотелефонную связь такой обычной, как в настоящее время обыкновенная телефонная связь.

Развитие кабельного телевидения также связано с использованием оптических кабелей, так как только в этом случае можно обеспечить высокое качество изображения в массовых системах этого типа, рассчитанных на индивидуальных абонентов. Кабельное телевидение приведет к качественному расширению возможностей информационного обслуживания. Речь идет о передаче через абонентский телевизор изображений газетных, журнальных и книжных страниц из библиотек и специальных информационных или учебных центров.

В ВОЛС будет использоваться преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустооптических преобразователей. Для передачи изображения будут применять аппаратуру с непосредственным сканированием и разложением оптического изображения и последующей передачей его без применения электронных схем. Все это дает возможность значительного упрощения оконечного оборудования системы и улучшения их технико-экономиких показателей.

Типичный оптический ретранслятор или передатчик, включающий лазер, модулятор, детектор, линзы и т. д., выполненный на оптической скамье, имеет много недостатков. Традиционные оптические приборы должны быть юстированы с чрезвычайно высокой точностью, и, следовательно, они чувствительны к изменениям температуры и малейшим вибрациям раздельно установленных час­тей. Решение этих проблем состоит в том, чтобы объединить оптические компоненты на одной подложке, соединив их миниатюрными оптическими волноводами.

Интегральная оптика является оптическим аналогом интегральной электроники. Она дает возможность выполнить сложные оптические устройства в виде одного блока подобно интегральным схемам более низкочастотного диапазона.

Она базируется на факте, что световые волны благодаря явлению полного внутреннего отражения могут распространяться в тонких пленках из прозрачных материалов, которые нанесены на подложки с коэффициентом преломления меньше, чем у пленки. Физически системы интегральной оптики отличаются от обычных оптических систем тем, что световые волны распространяются как на­правляемые волны внутри диэлектрических тонких пленок, а не как дифрак­ционно ограниченные пучки в свободном пространстве. Тонкопленочные диэлек­трические волноводы являются основой почти всех устройств интегральной оп­тики. Если оптические волноводы создать в электрооптическом материале, то фазовые скорости распространения света в световодах можно менять путем приложения электрического поля к электрооптическому материалу, приводяще­му к изменению его коэффициента преломления.

Так как на оптических частотах длина волны очень мала, то вся система будет очень компактной и будет иметь высокую концентрацию компонентов. Интегральные оптические системы будут потреблять незначительную мощность, обладать большой скоростью обработки информации, высокой помехозащищен­ностью, иметь большую надежность, лучшую механическую и температурную стабильность.

Весьма перспективно применение лазеров для голографии, так как получе­ние голограмм возможно только при использовании источников света, обладаю­щих временной и пространственной когерентностью. Примером использования голограмм является получение периодических структур для лазеров с распре­деленной обратной связью, изготовление амплитудно-фазовых фильтров для оп­тической обработки информации и т. д. Близки к практической реализации бы­стродействующие голографические запоминающие устройства большой емкости, обеспечивающие хранение информации с высокой плотностью и надежное ее воспроизведение. Указывается, что на стандартной фотографической пластинке размером может быть записана информация, достигающая

Интересным применением голографии является цветное трехмерное телевидение.

Лазеры применяются в системах космической связи, на линиях «Спутник — Земля», в оптической локации, в системах записи и обработки информации, в метрологии, медицине, для обработки материалов.

Ионные лазеры используются в системах подводной связи, так как в воде наилучшим образом распространяется сине-зеленый свет, который соответствует длине волны излучения аргонового лазера Лазеры на С0₂ явля­ется перспективными для наземных установок, так как их излучение находится в полосе прозрачности атмосферы.