Волоконно-оптичні лінії зв'язку
У ХХ ст. людство стало свідком стрімкого стрибка у розвитку різних видів зв'язку, особливо телефонії, радіо і телебачення. Завдяки їм, а також супутниковій космічній системі зв'язку сучасна людина одержала недоступну минулим поколінням можливість зв'язуватись з найвіддаленішими і глухими куточками планети, бачити, слухати і знати про все, що здійснюється в світі. Але при перевазі традиційних ліній зв'язку кожному з них властивий і ряд недоліків, які стають все більш відчутними з нарощуванням обсягів інформації, що передається.
Не зважаючи на новітні технології, які надають можливість значно ущільнити інформацію, що передається кабелем, магістральні телефонні мережі все ж часто виявляються перевантаженими. Приблизно те ж саме можна сказати про радіо і телебачення, в яких інформаційні сигнали переносяться за допомогою електромагнітних хвиль: кількість телеканалів і радіостанцій, переговорних і службових, привела до виникнення взаємних перешкод, до ситуації, яка отримала назву «тіснота в ефірі». Це стало одним з поштовхів до освоєння все більш короткохвильових діапазонів радіохвиль. Відомо, чим коротші хвилі, що використовуються для віщання, тим більше радіостанцій без взаємних перешкод може розміститись у даному діапазоні.
Другий недолік традиційних видів зв'язку полягає в тому, що для передачі інформації взагалі невигідно користуватись хвилями, що випромінюються в простір. Адже енергія, яка припадає на певну площу фронту такої хвилі, зменшується зі збільшенням фронту хвилі. Для сферичної хвилі це ослаблення обернено пропорціональне квадрату відстані від джерела хвилі до приймача. Внаслідок цього в сучасній радіотехніці витрачаються величезні кошти на виділення і посилення корисного сигналу. Зовсім інша картина була б у тому випадку, якби інформація посилювалась вузьким спрямованим пучком або променем. Втрат при цьому було б набагато менше.
Згадані недоліки вимушують допустити, що людство знаходиться на порозі важливої революції в системі зв'язку, яка приведе до того, що у ХХІ ст. основним її видом стане оптоелектроніка, яка не має цих недоліків. Очікується, що вже у перші десятиліття ХХІ ст. усі нові телефонні, телевізійні і обчислювальні системи будуть об'єднані волоконно-оптичними кабелями з використанням носія інформації, яким є лазерне випромінювання.
Винахід лазерів породив надію на швидке і легке подолання проблем «ефірної тісноти». Адже застосування мікрохвиль видимого світла для потреб зв'язку замість сантиметрових і міліметрових радіохвиль створило можливість майже безмежно розширити обсяг інформації, що передається. Наприклад, система зв'язку на гелій- неоновому лазері має полосу пропускання, в якій одночасно можна розмістити біля мільйона каналів. Однак, вже перші досліди розвіяли райдужні ілюзії. Встановлено, що земна атмосфера дуже активно поглинає і розсіює оптичне випромінювання і що лазери можуть використовуватись для потреб зв'язку лише на невеликі відстані (у середньому не більше 1 кілометра). Усі спроби подолати таку перешкоду виявились марними.
У 1966 р. два японських вчених Као і Хокема запропонували використати для передачі світлового сигналу довгі скляні волокна, які вже застосовувались у ендоскопії та інших галузях. Їх статею започатковано основи волоконно-оптичного зв'язку. На чому ж заснована дія світловодів?
З оптики добре відомо: якщо спрямувати світловий промінь з більш щільного середовища у менш щільне (наприклад, з води або скла у повітря), то значна частина його відіб'ється назад від межі двох середовищ. При чому, чим менше кут падіння променя, тим більша частина світлового потоку виявиться відбитою. Шляхом експерименту можна підібрати такий похилий кут, при якому відіб'ється все світло і лише мізерна його частина попаде з більш щільного середовища у менш щільне. Світло при цьому виявиться наче замкненим у щільному середовищі і розповсюджується у ньому, повторюючи усі його згини. Цей ефект «утримання» світла можна спостерігати на прикладі його розповсюдження всередині струменя води, яку він не може залишити, постійно відбиваючись від межі води і повітря. Точно так само здійснюється передача світлового сигналу по оптичному скляному волокну. Увійшовши в його середину, світловий промінь розповсюджується у різних напрямках. Промені, які йдуть під малим кутом до межі двох середовищ, повністю відбиваються від неї. Таким чином, оболонка міцно утримує їх, забезпечуючи світлонепроникний канал для передачі сигналі практично зі швидкістю світла.
В ідеальних світловодах, що виготовлені з абсолютно прозорого і однорідного матеріалу, світлові хвилі повинні розповсюджуватись не слабіючи. Але практично усі реальні світловоди більш або менш сильно поглинають і розсіюють електромагнітні хвилі через свою непрозорість й неоднорідності (у вигляді нагрівання світловоду і частково вилучення хвиль за межі волокна). Скло, яке здається таким прозорим у вікнах, вітринах, насправді виявляється далеко неоднорідним (містить невелику частку домішок заліза і міді). Навіть астрономічні і фотографічні об'єктиви, що виготовлені з найчистігшого скла, мають велику кількість забарвлених домішок. У перших світловодах, виготовлених з такого скла, втрати енергії були дуже великі. На один метр світловоду втрати складали понад 50 % уведеного до нього світла. Навіть за такої якості вдалось створити прилади, що надавали можливість пропускати світло через вигнуті канали, спостерігати внутрішні поверхні металевих порожнин, вивчати стан внутрішніх органів людського тіла і т.п.. Але для магістральних ліній зв'язку такі світловоди були малопридатні.
Необхідно було майже 10 років для того, щоб створити лабораторні зразки волоконних світловодів, здатних передавати на 1 км 1 % уведеної до них потужності світла. Наступним завданням було виготовлення з такого волокна світловодного кабелю, здатного для практичного застосування, розробити джерела і приймачі випромінювання.
Найпростіший волоконний світловод - тонка нитка з прозорого діелектрика. Світлові хвилі, що передаються по ньому, йдуть під малими кутами до осі світловода і зазнають повного внутрішнього відбиття від його поверхні. Але використати такий світловод можна тільки в лабораторії, тому що незахищена поверхня скла у звичайних умовах поступово покривається пилинками, на ній з'являється безліч дефектів - мікротріщини, нерівності, які порушують умови повного внутрішнього відбиття світла всередині волокна, дуже сильно поглинають і розсіюють промені. Істотні додаткові втрати виникають у місцях контакту світловоду з опорами, які підтримують незахищений кабель.
Радикальна зміна ситуації пов'язана зі створенням двошарових світловодів. Вони складаються зі світловодної жили, що міститься у прозорій оболонці, показник заломлення якої менший, ніж показник заломлення жили. Якщо товщина прозорої оболонки перевершує декілька довжин хвиль світлового сигналу, який передається, то ні пил, ні властивості середовища істотно не впливають на процес розповсюдження світлової хвилі у двошаровому світловоді. Такі світловоди можна покривати полімерною оболонкою і перетворювати їх у світловедучий кабель, придатний для практичного використання. Але для цього необхідно створити високу досконалість межі між жилою і прозорою оболонкою. Найбільш проста технологія виготовлення світловоду полягає в тому, що скляний стрижень-серцевина вставляється у щільно підігнану скляну трубку з меншим показником заломлення Потім ця конструкція нагрівається.
У 1970 р. вперше було розроблено скляні світловоди, що здатні передавати світлові сигнали на великі відстані. А на середину 70-х років були створені світловоди з найчистішого кварцового скла, інтенсивність світла в яких зменшувалась удвічі лише на відстані 6 кілометрів. Наскільки прозоре таке скло, видно з наступного прикладу: якщо уявити собі, що у вікно вставлено надчисте оптичне скло товщиною 10 кілометрів, то воно буде пропускати світло так само, як звичайне віконне товщиною в один сантиметр.
Оптична система зв'язку поки що відносно дорога, що стримує її широке розповсюдження, але немає сумніву, що це лише тимчасова перешкода. Її переваги настільки очевидні, що вона неодмінно повинна в майбутньому отримати повсюдне використання. Насамперед, волоконно-оптичні кабелі дуже стійкі до першкод і мають малу вагу. При освоєнні технології масового їх виробництва вони можуть стати набагато дешевші електричних кабелів, які зараз використовуються, оскільки сировина для них вже сьогодні набагато дешевша. Але найважливіші переваги їх полягають у тому, що вони мають величезну пропускну здатність - за одиницю часу через них можна пропускати такі величезні обсяги інформації, які неможливо передати ні одним з відомих зараз способів зв'язку. Всі ці якості повинні забезпечити волоконно-оптичним лініям зв'язку багатогранне використання насамперед у блоках ЕОМ, в кабельному телебаченні. Вже накопичено великий досвід створення мікросхем, в яких використовуються мікроскопічні світловоди. Швидкодія таких мікросхем приблизно в 1000 разів більша, ніж у звичайних. Згодом відбудеться заміна телефонних кабелів на магістральних лініях і створення телевізійних кабелів. У перспективі очікується об'єднання усіх цих мереж в єдину інформаційну мережу.
Такі переваги відчутними стали в країнах, де телефонні лінії замінені на світловоди. Практикується створення міських оптико- волоконних мереж.