Со времени изобретения Самюэлем Морзе в 1838 г. телеграфа телекоммуникационная индустрия испытывает постоянное давление со стороны потребителей, заключающееся в требовании все большей и большей пропускной способности каналов связи. Более того, оно все время усиливается по причине повсеместного использования сетевых информационных технологий. И оптическое волокно с его низкими потерями при передаче, высокими помехозащищенностью и пропускной способностью является почти идеальной передающей средой.
Немного истории
Распространение светового сигнала вдоль оптоволокна основано на явлении полного внутреннего отражения на границе двух сред с разными коэффициентами преломления. При этом практически весь пучок света ограничивается средой с более высоким коэффициентом преломления, заключенной в оболочку из материала с меньшей оптической плотностью. Этот эффект в оформительских целях был впервые продемонстрирован Дэниэлем Коллодоном (Daniel Collodon) и Жаком Бабине (Jacques Babinet) в 1840 г., показавшими, что струи фонтана могут служить хорошим световодом. В 1920 г. Джон Бэрд (John Baird) и Кларенс Ханселл (Clarence Hansell) запатентовали идею использования матрицы из полых труб или из прозрачных стержней для передачи изображений в телевидении и факсимильных аппаратах. Однако первым, кто продемонстрировал передачу изображений с помощью пучка оптических волокон, был Генрих Ламм (Heinrich Lamm), студент-медик из Мюнхена. Никаких особых событий в этой области не происходило вплоть до 1954 г., пока Абрахам ван Хеел (Abraham van Heel) из Технического университета, г. Дельфт, Голландия, и Гарольд Хопкинс (Harold Hopkins) и Нариндер Капани (Narinder Kapany), оба из Лондонского Королевского колледжа, не опубликовали независимо друг от друга сообщение о передаче изображения с помощью матрицы из оптоволокна в престижном английском журнале "Nature". Описанные устройства не могли транслировать изображения на сколько-нибудь значительные расстояния, но сообщения вызвали всплеск интереса к этим технологиям. Решающим здесь оказалось изобретение ван Хеела, явившееся результатом обсуждений проблемы с американским оптиком Брайаном О’Брайеном (Brian O’Brien). Все предыдущие устройства использовали "голые" волокна, в которых полное отражение происходило на границе стекло—воздух. Ван Хеел покрыл волокна прозрачной оболочкой из материала с более низким коэффициентом преломления. Это предохраняло отражающую поверхность от загрязнения и значительно снижало перекрестные наводки между волокнами. Следующий шаг был сделан Лоуренсом Кэртиссом (Lawrence Curtiss), который разработал способ изготовления оболочки из стекла. К 1960 г. оптоволокно со стеклянной оболочкой имело затухание около 1 дБ/м, что не позволяло использовать его для коммуникаций.
Тем временем возможности радиочастотного и даже сантиметрового диапазонов приближались к пределу, и телекоммуникационные инженеры искали новые способы повышения полосы пропускания, чтобы обслужить все возрастающие телевизионный и телефонный трафики. И хотя после изобретения в 1960 г. лазера некоторые группы разработчиков обратились к оптическому диапазону, большинство специалистов все же считало, что будущее телекоммуникационной индустрии принадлежит миллиметровым волноводам. Большинство, но не все. Одна небольшая группа из Standard Telecommunication Laboratories (STL), возглавляемая вначале Энтони Карбовяком (Antony Karbowiak), не захотела так легко расстаться с перспективной идеей. Один из ее сотрудников, Чарльз Као (Charles Kao), взялся за изучение проблемы затухания сигнала в оптоволокне. Он собрал все образцы материалов, из которых изготавливается волокно, и тщательно исследовал их свойства. В конечном итоге он пришел к выводу, что величина затухания зависит не от самого стекла, а от степени его чистоты. Результаты работы были опубликованы в 1966 г., при этом авторы высказали твердое убеждение в том, что потери в оптоволокне могут быть ниже 20 дБ/км.
К работам Као и его сотрудников проявила повышенный интерес British Post Office, выделив на исследования в этой области 12 млн. фунтов. Это послужило своего рода спусковым механизмом, и многие лаборатории во всем мире принялись за разработку технологии получения чистого стекла. Большинство из них пытались очистить компаундное стекло, использующееся в стандартных оптических приборах, — оно легко плавилось и вытягивалось в волокна. Однако стремление упростить себе жизнь редко приводило к успеху, и данный случай не был исключением. Желаемых результатов добились Роберт Маурер (Robert Maurer), Дональд Кек (Donald Keck) и Петер Шульц (Peter Schultz) из компании Corning, которые начали работать с кварцевым стеклом. Хотя этот материал имел высокую точку плавления и низкий коэффициент преломления, он мог быть получен практически чистым. Коэффициент преломления повышался путем добавления необходимого количества присадок. В сентябре 1970 г. они объявили об изготовлении волокна с потерями ниже 20 дБ/км при использовании света с длиной волны 633 нм. В течение последующих 10—15 лет, усовершенствуя технологию и увеличивая длину волны света, удалось достичь потерь менее 0,2—0,3 дБ/км. Следует отметить, что сегодня в качестве световода в оптоволоконных кабелях широко используется также пластик.
Как "работает" оптоволокно
Конструкция кабеля
Вначале рассмотрим конструкцию оптоволоконного кабеля (рис. 1). Он состоит (начиная от центра) из сердцевины, оболочки, буфера, компонентов жесткости и защитного покрытия. Сердцевина, которая является средой распространения светового сигнала, должна быть хорошо центрирована относительно оболочки. Она, как уже упоминалось выше, делается из кварцевого стекла или пластика с высоким коэффициентом преломления и имеет диаметр от 8 до 1000 мкм. Оболочка, окружающая сердцевину, изготовляется из материала с более низким коэффициентом преломления. Благодаря разнице в этих коэффициентах на границе двух сред образуется зеркало, которое и превращает сердцевину в оптический световод. Буфер является защитным слоем для оболочки. Он выполняется из термопластичного материала, обеспечивающего плотность конструкции буфера, и трубки, наполненной гелем для предохранения волокна от внешних механических повреждений, таких, например, как вибрация. Компоненты жесткости служат для предохранения волокна от растяжения при прокладке, а также от сил, возникающих при температурных колебаниях. Эти компоненты изготовляются из различных материалов, от стали до кевлара. В одно- и двуволоконных кабелях они обертывают буфер, а в многоволоконных располагаются в середине пучка. Последний элемент конструкции, защитное покрытие, предохраняет кабель от воздействия внешней среды. Он отличается для внутренней и внешней установки, прокладки по воздуху или под землей.
 |
| Рис. 1 |
Спецификация оптического волокна
Некоторые свойства оптического волокна как световода напрямую зависят от диаметра сердцевины. По этому параметру оптоволокно делится на две категории: многомодовое и одномодовое.
Многомодовое оптоволокно
У этой категории оптоволокна диаметр сердцевины относительно большой по сравнению с длиной волны света, излучаемого передатчиком. Диапазон его значений составляет 50—1000 мкм при используемых длинах волн около 1 мкм. Однако наиболее широкое распространение получили волокна с диаметрами 50 и 62,5 мкм. Передатчики для такого оптоволокна излучают импульс света в некотором телесном угле, т. е. лучи (моды) входят в сердцевину под разными углами. В результате лучи проходят от источника к приемнику неравные по длине пути и, следовательно, достигают его в разное время. Это приводит к тому, что ширина импульса на выходе оказывается больше, чем на входе. Такое явление называется модальной (многомодовой) дисторсией. Описанный эффект подобен дисперсии оптического сигнала, поэтому часто его называют модальной дисперсией. Однако использование этого термина в данном случае является некорректным. Дисперсия связана с длиной волны, тогда как многомодовая дисторсия может иметь место и при монохромном сигнале.
Существует два основных типа многомодового оптоволокна. В первом, более простом для изготовления, коэффициент преломления изменяется ступенчато на границе сердцевины с оболочкой. Ход лучей в таком волокне показан на рис. 2, а.
Во втором типе оптоволокна коэффициент преломления плавно понижается от центра к границе. Лучи света, пути которых проходят в периферийных областях с меньшим коэффициентом преломления, распространяются быстрее, чем те, которые проходят вблизи центра, что в итоге компенсирует разницу в длинах путей. В таком оптоволокне эффект многомодовой дисторсии намного ниже, чем в первом (рис. 2, б).
Уширение сигнала устанавливает предел числу передаваемых в секунду импульсов, которые все еще могут быть безошибочно распознаны на принимающем конце канала. Это, в свою очередь, ограничивает полосу пропускания многомодового волокна. Очевидно, что величина дисторсии на приемном конце зависит также и от длины кабеля. Поэтому пропускная способность для оптических магистралей определяется на единицу длины. Для оптоволокна со ступенчатым профилем коэффициента преломления она в типичном случае составляет 20—30 MHz на километр (MHz-km), в то время как для плавно изменяющегося профиля она находится в диапазоне 100—1000 MHz-km.
Мультимодовое оптоволокно может иметь стеклянный стержень и пластиковую оболочку. В англоязычной литературе оно носит название Plastic-Clad Silica" (PCS). Такому оптоволокну присущи ступенчатый профиль коэффициента преломления и полоса пропускания 20—30 MHz-km. Существует также полностью пластиковое оптоволокно также со ступенчатым профилем. Поскольку пластик не может быть получен таким же чистым, как стекло, то затухание в этих волокнах весьма велико. В типичном случае оно составляет 200 дБ/км, что ограничивает длину канала 50—100 м.
Одномодовое оптоволокно
Основным отличием такого волокна, во многом определяющим его свойства как световода, является диаметр сердцевины. Он составляет всего примерно 9 мкм, что уже сравнимо с длиной волны светового сигнала. Малая величина диаметра позволяет сформировать только один луч (моду), что и нашло отражение в названии (рис. 2, в).
 |
| Рис. 2 |
Сегодня используются два типа одномодового волокна, немного отличающиеся по конструкции. Эти различия обусловлены особенностями технологического процесса их изготовления. В результате внешнего осаждения паров кремния (Outside Vapor Deposition, OVD) получают согласованное волокно (matched-clad fiber), тогда как при внутреннем осаждении (Inside Vapor Deposition, IVD) получают "приплюснутое" волокно. Эти термины характеризуют профиль коэффициента преломления. В согласованном волокне коэффициент преломления такой же, как и в стеклянной подложке (рис. 3, а), в "приплюснутом" он ниже (рис. 3, б).
 |
| Рис. 3 |
В одномодовом оптоволокне эффекты, связанные с многомодовой дисторсией, отсутствуют. Однако для обеих категорий существует явление, называемое хроматической дисперсией. Она связана с тем, что источники световых импульсов (лазеры или светодиоды) излучают хотя и в узком диапазоне спектра, но, тем не менее, не монохромный свет. Волны разной длины распространяются в сердцевине с разными скоростями, что приводит к искажению формы импульса. Однако величиной дисперсии можно управлять с помощью соответствующих изменений оптических характеристик волокна и выбора длины волны излучения. Хроматическая дисперсия имеет две составляющие. Одна вызвана композицией сердцевины, а вторая обусловлена неполным внутренним отражением (некоторая часть светового импульса распространяется в оболочке). Эти два эффекта могут быть сбалансированы с целью получения минимальной величины дисперсии. Для стандартного одномодового оптоволокна длина волны с практически нулевой дисперсией составляет 1310 нм. С помощью определенных присадок можно добиться сдвига длины волны, для которой величина дисперсии равна нулю, в область с минимальным затуханием. Таким окном является район 1550 нм, а соответствующий продукт называется "оптоволокно со сдвинутой дисперсией" (dispersion-shifted fiber). Подобными ухищрениями в одномодовых волокнах удается достичь полосы пропускания 100 GHz-km (для сравнения, в высокопроизводительных многомодовых системах этот показатель равен 1 GHz-km).
Исследовательские работы по улучшению световодных характеристик оптоволокна не прекращаются. Высокий уровень чистоты материала и усовершенствованная электронная система позволяют сегодня получить затухание 0,35 дБ/км в диапазоне 1310 нм и 0,25 дБ/км для длины волны 1550 нм. Оцифрованный световой сигнал может быть передан на расстояние более 100 км без промежуточного усиления. Дальнейшее усовершенствование технологии производства приведет к значительному снижению стоимости оптоволоконных кабелей. Все это вместе с высокими пропускной способностью, помехозащищенностью и устойчивостью к агрессивной среде позволяет безошибочно прогнозировать переход как телекоммуникационной, так и сетевой индустрии на оптические технологии.