4.6. Оптико-волоконная связь

Тогда же, в 70-е гг., новые возможности в развитии средств связи открыло изобретение лазера.

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER) – это усилитель света посредством индуцированного излучения, «устройство, в котором энергия, например, тепловая, химическая, электри-ческая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерного луча»⁴²⁵.

Возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн А. Эйнштейн предсказал еще в 1916 г. в статье «Квантовая теория излучения»⁴²⁶.

Опираясь на работы своих предшественников, советские ученые Николай Геннадиевич Басов (1922–2001)⁴²⁷ и Александр Михайлович Прохоров (1916–2002)⁴²⁸, а также американский ученый Чарльз Хард Таунс (1915–1995)⁴²⁹ заложили основы для практической реализации этой идеи.

В 1957 г. выпускник Колумбийского университета Гордон Голд сформулировал принципы работы интенсивного источника света⁴³⁰, а в 1960 г. американский физик Теодор Мейман (1927–2007) создал первый подобный прибор, получивший название лазер⁴³¹.

Почти сразу же обнаружилось, что лазер может быть использован в самых разных сферах человеческой жизни, в том числе как носитель информации. Но хотя «возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 тыс. раз превышают возможности радиочастотного излучения», обнаружилось, пишет Д. Д. Стерлинг, что он «не вполне пригоден» «для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь, равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо проще преодолеть расстояние между Землей и Луной, чем между противоположными границами Манхеттена»⁴³².

В связи с этим особое значение имело сделанное в 1966 г. пред-ложение двух исследователей Чарльза Као и Чарльза Хокхэма из английской лаборатории телекоммуникационных стандартов использовать для защиты лазерного луча стеклянные волокна, которые к тому времени уже нашли применение в эндоскопии⁴³³.

Чтобы понять смысл этого предложения, необходимо учесть сле-дующее обстоятельство. Обычно свет распространяется по прямой линии. Однако если мы проследим путь солнечного луча, уходящего в воду, то заметим, что при переходе из одной среды в другую, он отклоняется от первоначального направления. А если поместить источник света в воде, обнаружится, что на границе воды и воздуха луч света раздвоится, один выйдет наружу, другой, отразившись от верхнего слоя воды, вернется опять вглубь.

Используя это явление, французские физики Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794–1872) и Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) проде-монстрировали в 1840 г. фонтан, в котором лучи света, направленные внутрь фонтанных струй, изгибались вместе с ними, придавая им светящийся характер⁴³⁴.

Используя этот эффект, английский физик Джон Тиндалл (1820–1893) в 1854 г. продемонстрировал возможность управления светом⁴³⁵, а в 1870 г. доложил о результатах своих опытов на собрании Королевского обще-ства⁴³⁶.

В 1920 г. два английских ученых Джон Бэйрд (John Baird) и Кларенс Ханселл (Clarence Hansell) предложили использовать прозрачные стержни для передачи изображений⁴³⁷. Такую возможность через несколько лет продемонстрировал студент-медик из Мюнхена Генрих Ламм (Lamm)⁴³⁸. А в 1934 г. инженер АТТ Норман Френч запатентовал проект передачи по стеклянному волокну сигналов связи⁴³⁹.

Однако эта проблема привлекла к себе внимание только после того, как в 1954 г. преподаватель Технического университета голладского города Дельфт Абрахам ван Хеел (Abraham van Heel) и два сотрудника Лондон-ского Королевского научно-технического колледжа Гарольд Хопкинс (Harold Hopkins) и Нариндер Капани (Narinder Kapany) независимо друг от друга поделились на страницах английского журнала «Nature» своим опытом передачи изображений с помощью оптического волокна⁴⁴⁰. Именно Н. Капани в 1956 г. ввел в употребление термин «волоконная оптика»⁴⁴¹.

Через некоторое время А. ван Хеел усовершенствовал это изобре-тение. Он покрыл стеклянные волокна прозрачной оболочкой с более низким коэффициентом преломления и тем самым сделал почти невозможным рассеивание света за пределами световода⁴⁴². Но создаваемое таким образом оптическое волокно имело очень высокий коэффициент затухания⁴⁴³.

Ситуация стала меняться после того, как в 1966 г. два уже упоминав-шихся ученых Чарльз Као и Чарльз Хокхэм установили, что коэффициент затухания зависит от степени прозрачности стекла и что для использования оптического волокна в средствах связи необходимо, чтобы коэффициент затухания передаваемых сигналов был ниже 20 дБ/км⁴⁴⁴.

Одновременно, как уже отмечалось, именно Чарльз Као и Чарльз Хокхэм предложили использовать оптическое волокно для передачи информации с помощью лазера.

Первоначально коэффициент затухания достигал 1000 дБ/км⁴⁴⁵.

Но уже «в 1970 г., – пишет Д. Стерлинг, – Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass Works получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 г. в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км», «в настоящее время лучшие волокна имеют уровень потерь в 0,2 дБ/км»⁴⁴⁶.

Таким образом, в 70-е гг. открылась возможность использования оптического волокна для передачи информации на большие расстояния. Первыми обратили на это внимание военные. Уже в 1973 г. Пентагон стал использовать оптико-волоконную связь на борту корабля Little Rock., а в 1976 г. – в авиации⁴⁴⁷.

Тогда же, в 1976–1977 гг., в США и Великобритании были построены первые опытные линии оптико-волокнной связи⁴⁴⁸. Как отмечает Д. Стер-линг, они сразу же «превзошли по своим характеристикам считавшиеся ранее незыблемыми стандарты производительности, что привело к их бурному распространению в конце 70-х и начале 80-х гг. В 1980 г. AT&T объявила об амбициозном проекте волоконно-оптической системы, связы-вающей между собой Бостон и Ричмонд», который вскоре был реализован и продемонстрировал преимущества нового вида связи⁴⁴⁹.

«К 1980 г., – пишет Д. Л. Шарле, – в области проводниковой связи произошла подлинная техническая революция. Классический проводнико-вый материал – медь – начал уступать место столь же классическому изоля-ционному материалу – стеклу»⁴⁵⁰. На самом деле правильнее будет сказать, что с 1980 г. революция в этой сфере средств связи только началась.

В 1985 г. были проложены две первые морские коммерческие линии из оптического кабеля длиной 120 и 420 км⁴⁵¹. 14 декабря 1988 г. начал действовать первый трансатлантический телефонный кабель с использова-нием волоконной оптики. «Этот кабель позволил вести телефонные перего-воры 40 тыс. абонентов одновременно, что в 3 раза превышает объем трех существующих медных кабелей. В апреле 1989 г. начал функционировать волоконно-оптический кабель, проложенный через Тихий океан, связавший США с Японией»⁴⁵².

К 1990 г. протяженность каналов волоконно-оптической связи только в США достигла 5 млн миль⁴⁵³.

«В настоящее время, – констатировали на рубеже XX–XXI вв. Д. Нэсбитт и П. Эбурдин, – с помощью волоконной оптики установлена связь между Северной Америкой, Европой, Азией и Австралией. Общая протяженность волоконно-оптических кабелей составляет более 16 млн миль»⁴⁵⁴.