Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптическими называют линии, предназначенные для передачи информации в оптическом диапазоне. Согласно данным советского Информбюро, на конец 80-х темп роста применения волоконно-оптических линий составил 40%. Эксперты Союза предполагали полный отказ некоторых стран от медной жилы. Съезд постановил на 12-ю пятилетку 25% прирост объёма линий связи. Тринадцатая, также призванная развивать волоконную оптику, застала развал СССР, появились первые сотовые операторы. Кстати, прогноз экспертов относительно роста потребности в квалифицированных кадрах провалился…

Принцип действия

Каковы причины резкого роста популярности высокочастотных сигналов? Современные учебники упоминают снижение потребности в регенерации сигнала, стоимости, повышение ёмкости каналов. Советские инженеры вызнали, рассуждая иначе: медный кабель, броня, экран берут 50% мирового производства меди, 25% – свинца. Недостаточно известный факт стал главной причины оставления спонсорами Николы Теслы, проекта башни Ворденклифф (название дала фамилия мецената, пожертвовавшего землю). Известный сербский учёный возжелал передавать информацию, энергию беспроводным путём, напугав немало локальных хозяев медеплавильных заводов. 80 лет спустя картина изменилась кардинально: люди осознали необходимость сбережения цветных металлов.

Материалом изготовления волокна служит… стекло. Обычный силикат, сдобренный изрядной долей модифицирующих свойства полимеров. Советские учебники, помимо указанных причин популярности новой технологии, называют:

1. Малое затухание сигналов, явившееся причиной снижения потребности в регенерации.
2. Отсутствие искрения, следовательно, пожаробезопасность, нулевая взрывоопасность.
3. Невозможность короткого замыкания, пониженная потребность в обслуживании.
4. Нечувствительность к электромагнитным помехам.
5. Низкий вес, сравнительно малые габариты.

Первоначально оптоволоконные линии должны были объединить крупные магистрали: меж городами, пригородами, АТС. Эксперты СССР назвали кабельную революцию сродни появлению твердотельной электроники. Развитие технологии позволило построить сети, лишённые токов утечки, перекрёстных помех. Участок длиной сотню км лишён активных методов регенерации сигнала. Бухта одномодового кабеля обычно составляет 12 км, многомодового – 4 км. Последнюю милю чаще покрывают медью. Провайдеры привыкли предназначать оконечные участки индивидуальным пользователям. Отсутствуют высокие скорости, приёмопередатчики дёшевы, возможность подвести одновременно питание устройству, простота  использования линейных режимов.

Передатчик

Типичным формирователем луча выступают полупроводниковые светодиоды, включая твердотельные лазеры. Ширина спектра сигнала, излучаемого типичным p-n-переходом, составляет 30-60 нм. КПД первых твердотельных устройств едва достигал 1%. Основой связных светодиодов чаще выступает структура индий-галлий-мышьяк-фосфор. Излучая более низкую частоту (1,3 мкм), приборы обеспечивают значительное рассеивание спектра. Результирующая дисперсия сильно ограничивает битрейт (10-100 Мбит/с). Поэтому светодиоды пригодны для построения локальных сетевых ресурсов (дистанция 2-3 км).

Частотное деление с мультиплексированием осуществляется многочастотными диодами. Сегодня несовершенные полупроводниковые структуры активно вытесняются вертикальными излучающими лазерами, значительно улучшающими спектральные характеристики. повышающими скорость. Цена одного порядка. Технология вынужденного излучения приносит гораздо более высокие мощности (сотни мВт). Когерентное излучение обеспечивает КПД одномодовых линий 50%. Эффект хроматической дисперсии снижается, позволяя повысить битрейт.

Малое время рекомбинации зарядов позволяет легко модулировать излучение высокими частотами питающего тока. Помимо вертикальных применяют:

1. Лазеры с обратной связью.
2. Резонаторы Фабри-Перо.

Высокие битрейты дальних линий связи достигаются применением внешних модуляторов: электро-абсорбционные, интерферометры Маха – Цендера. Внешние системы устраняют необходимость применения линейной частотной модуляции напряжением питания. Обрезанный спектр дискретного сигнала передаётся дальше. Дополнительно разработаны другие методики кодирования несущей:

• Квадратурная фазовая манипуляция.
• Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением.
• Амплитудная квадратурная модуляция.

Передатчик сформирован цифро-аналоговым преобразователем, драйверным усилителем, модулятором Маха-Цендера. Применение высоких форматов модуляции (выше 4 квадратур), битрейтов (выше 32 Гбод) снижает эффективность ввиду наличия паразитных эффектов. Линейные погрешности сформированы цифро-аналоговым преобразователем, неидеальностью системы синхронизации. Нелинейные искажения вызваны эффектом насыщения драйверного усилителя, модулятора. Меры противодействия существенно повышают скорость, позволяя использовать модуляции высоких квадратур.

Процедуру осуществляют цифровые сигнальные процессоры. Старые методики компенсировали лишь линейную составляющую. Беренджер выразил модулятор рядами Вина, ЦАП и усилитель смоделировал усечёнными, времянезависимыми рядами Вольтерры. Кхана предлагает использовать полиномиальную модель передатчика вдобавок. Каждый раз коэффициенты рядов находят, используя архитектуру непрямого изучения. Дутель записал множество распространённых вариантов. Фазная перекрёстная корреляция и квадратурные поля имитируют несовершенство систем синхронизации. Аналогично компенсируются нелинейные эффекты.

Приёмники

Фотодетектор совершает обратное преобразование свет – электричество. Львиная доля твёрдотельных приёмников использует структуру индий-галлий-мышьяк. Иногда встречаются pin-фотодиоды, лавинные. Структуры металл-полупроводник-металл идеально подходят для встраивания регенераторов, коротковолновых мультиплексоров. Оптикоэлектрические конвертеры часто дополняют трансимпедансными усилителями, ограничителями, производящими цифровой сигнал. Затем практикуют восстановление синхроимпульсов с фазовой автоподстройкой частоты.

Передача света стеклом: история

Явление рефракции, делающее возможной тропосферную связь, нелюбимо учениками. Сложные формулы, неинтересные примеры убивают любовь студента к знаниям. Идею световода родили далёкие 1840-е годы: Дэниэл Колладон, Жак Бабинэ (Париж) пытались приукрасить собственные лекции заманчивыми, наглядными экспериментами. Преподаватели средневековой Европы плохо зарабатывали, поэтому изрядный приток студентов, несущих деньги, выглядел желанной перспективой. Лекторы заманивали публику любыми способами. Некий Джон Тиндал воспользовался идеей 12 лет спустя, гораздо позже выпустив книгу (1870), рассматривающую законы оптики:

• Свет проходит границу раздела воздух-вода, наблюдается рефракция луча относительно перпендикуляра. Если угол касания луча к ортогональной линии превышает 48 градусов, фотоны перестают покидать жидкость. Энергия полностью отражается назад. Предел назовём лимитирующим углом среды. Водный равен 48 градусов 27 минут, у силикатного стекла – 38 градусов 41 минута, алмаза – 23 градуса 42 минуты.

Зарождение XIX столетия принесло линии Петербург – Варшава световой телеграф протяжённостью 1200 км. Регенерация операторами послания проводилась каждые 40 км. Сообщение шло несколько часов, мешали погода, видимость. Появление радиосвязи вытеснило старые методики. Первые оптические линии датированы концом XIX века. Новинка понравилась… медикам! Гнутое стеклянное волокно позволяло освещать любые полости человеческого тела. Историки предлагают следующую временную шкалу развития событий:

1. 1854 – Джон Тиндалл демонстрирует Королевскому обществу (Великобритания) возможность изгибания траектории распространения света водным потоком.
2. 1880 – Александр Грэхэм Белл изобретает Фотофон, передающий голос посредством луча. Изобретатель ловил солнечного зайчика, заставлял зеркало вибрировать в такт звучанию речи. Приёмный детектор декодировал послание, динамик передавал заложенное сообщение. Пасмурные дни заставили Белла забросить исследования, занявшись более практическими делами – наживанием прибыли.
3. Параллельно Вильям Вилер изобрёл систему световых труб, снабжённых отражающим чулком. Каналы разносили свет дуговой лампы всему дому.
4. 1888 – Медицинская бригада Рота и Ройса (Вена) придумала освещать гнутыми стеклянными стержнями полости человеческого тела.
5. 1895 – французский инженер, Генри Сэнт-Рене, создал группу витиевато закруглённых кремниевых волосков, осуществляя проект телевизионного экрана.
6. 1898 – американец Дэвид Смит патентует гнутый стеклянный стержень для использования хирургами.

Идею Генри Сэнт-Рене продолжили поселенцы Нового света (1920-е), задумавшие улучшить телевидение. Кларенс Ханселл, Джон Логи Бэйрд стали пионерами. Десять лет спустя (1930) студент-медик Хайнрих Ламм доказал возможность передачи стеклянными направляющими изображения. Ищущий знаний задумал осмотреть внутренности тела. Качество изображения хромало, попытка получить Британский патент провалилась.

Рождение волокна

Независимо голландский учёный Абрахам ван Хил, британец Харольд Хопкинс, Нариндер Сингх Капани изобрели (1954) волокно. Заслуга первого в идее покрыть центральную жилу прозрачной оболочкой, имевшей низкий коэффициент преломления (близкий к воздуху). Защита от царапин поверхности сильно улучшила качество передачи (современники изобретателей видели главное препятствие использования волоконных линий в больших потерях). Британцы тоже внесли серьёзный вклад, собрав пучок волокон численностью 10.000 штук, передали изображение на дистанцию 75 см. Заметка «Гибкий фиброскоп, использующий статическое сканирование» украсила журнал Nature (1954).

Это интересно! Нариндер Сингх Капани ввёл термин фиброволокно заметкой в журнале Американская наука (1960).

1956 год принёс миру новый гибкий гастроскоп, авторы Базиль Хиршовиц, Вильбур Петерс, Лоуренс Кертисс (Университет Мичиган). Особенностью новики являлась стеклянная оболочка волокон. Элиас Снитцер (1961) обнародовал идею создания одномодового волокна. Столь тонкого, что внутри умещалось лишь одно пятнышко интерференционной картины. Идея помогла медикам осмотреть внутренности (живого) человека. Потери составили 1 дБ/м. Потребности коммуникаций простирались гораздо дальше. Требовалось достичь порога 10-20 дБ/км.

1964 год считают переломным: жизненно важную спецификацию опубликовал доктор Као, введя теоретические основы дальней связи. Документ активно использовал приведённую выше цифру. Учёный доказал: снизить потери поможет стекло высшей степени очистки. Германский физик (1965) Манфред Бёрнер (Телефункен Ресёрч Лабс, Ульм) представил первую работоспособную телекоммуникационную линию. NASA немедленно передало вниз лунные снимки, используя новинки (разработки были секретными). Несколько лет спустя (1970) трое работников Корнинг Глэс (см. начало топика) подали патент, реализующий технологический цикл выплавки оксида кремния. Три года бюро оценивало текст. Новая жила увеличила пропускную способность канала в 65000 раз относительно медного кабеля. Команда доктора Као немедля сделала попытку покрыть значительное расстояние.

Это интересно! 45 лет спустя (2009) Као вручили Нобелевскую премию по физике.

Военные компьютеры (1975) противовоздушной обороны США (секция NORAD, Шайенские горы) получили новые коммуникации. Оптический интернет появился очень давно, раньше персональных компьютеров! Двумя годами позже тестовые испытания телефонной линии длиной 1,5 мили (пригород Чикаго) успешно передали 672 голосовых канала. Стеклодувы трудились неустанно: начало 80-х привнесло появление волокна с затуханием 4 дБ/км. Оксид кремния заменили другим полупроводником – германием.

Скорость производства высококачественного кабеля технологической линией составила 2 м/с. Хими Томас Менса разработал технологию, повысившую двадцатикратно указанный лимит. Новинка, наконец, стала дешевле медного кабеля. Дальнейшее изложено выше: последовал всплеск внедрения новой технологии. Шаг расстановки репитеров составил 70-150 км. Волоконный усилитель, легированный ионами Эрбия, резко снизил стоимость возведения линий. Времена тринадцатой пятилетки принесли планете 25 миллионов километров волоконно-оптических сетей.

Новый толчок развитию дало изобретение фотонных кристаллов. Первые коммерческие модели принёс 2000 год. Периодичность структур позволила значительно повысить мощность, конструкция волокна гибко подстраивалась, следуя частоте. В 2012 году Телеграфная и телефонная компания Ниппона достигла скорости 1 петабит/с на дальности 50 км одним-единственным волокном.

Военная промышленность

Достоверно известна история шествия военной промышленности США, опубликованной в Монмаут Месседж. В 1958 году менеджер по кабельному хозяйству форта Монмаут (Сигнал Корпс Лабс армии Соединённых Штатов) рапортовал о вреде молний, осадков. Чиновник потревожил исследователя Сэма Ди Вита, попросив найти замену зеленеющей меди. Ответ содержал предложение попробовать стекло, фибер, световые сигналы. Однако инженеры дяди Сэма того времени оказались бессильны решить задачку.

Жарким сентябрём 1959 Ди Вита спросил лейтенанта второго ранга Ричарда Штурцебехера, известна ли тому формула стекла, способного передавать оптический сигнал. Ответ содержал сведения, касающиеся оксида кремния – пробы на базе Университета Альфреда. Измеряя коэффициент рефракции материалов микроскопом, Ричард нажил головную боль. 60-70% стеклянная пудра свободно пропускала лучезарный свет, раздражая глаза. Держа в уме необходимость получения чистейшего стекла, Штурцебехер изучал современные методики производства при помощи хлорида кремния IV. Ди Вита нашёл материал пригодным, решив предоставить правительству переговоры со стеклодувами компании Корнинг.

Чиновник отлично знал рабочих, однако решил предать дело огласке, дабы завод получил государственный контракт. Между 1961 и 1962 идея использования чистого оксида кремния была передана исследовательским лабораториям. Федеральные ассигнования составили порядка 1 млн. долларов (промежуток 1963-1970). Программа окончилась (1985) развитием многомиллиардной индустрии производства оптоволоконных кабелей, начавших стремительно замещать медные. Ди Вита остался работать, консультируя промышленность, прожив 97 лет (год смерти – 2010).

Разновидности кабелей

Кабель формируют:

1. Ядро.
2. Оболочка.
3. Защитный кожух.

Волокно реализует полное отражение сигнала. Материалом первых двух компонентов традиционно выступает стекло. Иногда находят дешёвую замену – полимер. Оптические кабели объединяют сплавлением. Выравнивание ядра потребует сноровки. Мультимодовый кабель толщиной свыше 50 мкм паять проще. Две глобальные разновидности различаются количеством мод:

• Мультимодовый снабжён толстым ядром (свыше 50 мкм).
• Одномодовый значительно тоньше (менее 10 мкм).

Парадокс: кабель меньших размеров обеспечивает дальнюю связь. Стоимость четырёхжильного трансатлантического составляет 300 млн. долларов. Сердцевину покрывают светоустойчивым полимером. Журнал Новый учёный (2013) обнародовал опыты научной группы Университета Саутгемптона, покрывших дальность 310 метров… волноводом! Пассивный диэлектрический элемент показал скорость 77,3 Тбит/с. Стены полой трубки образованы фотонным кристаллом. Информационный поток двигался со скорость 99,7% световой.

Фотонно-кристаллический фибер

Новая разновидность кабелей образована набором трубок, конфигурация напоминает скруглённые пчелиные соты. Фотонные кристаллы, напоминают природный перламутр, образуя периодические конформации, отличающиеся коэффициентом преломления. Некоторые длины волн внутри таких трубок затухают. Кабель демонстрирует полосу пропускания, луч претерпевая брэгговскую рефракцию отражается. Благодаря наличию запрещённых зон когерентный сигнал двигается вдоль световода.

Первая конструкция Йе и Йарива (1978) представлена двумя и более концентрическими слоями разных материалов. Конструкции постоянно дополняются свежими видами. Рассел (1996, автор термина фотонно-кристаллический фибер) представил сотовый набор волокон, двумя годами позже догадались сердцевину заменить пустотой. Достигнутые затухания впечатляют:

1. Полые – 1,2 дБ/км.
2. Сплошные – 0,37 дБ/км.

Технология производства сродни традиционной. Сравнительно толстую заготовку постепенно вытягивают. Выходит волос длиной в километры. Материалы проходят стадию исследований.

Частоты

Скорость, дальность передачи ограничены эффектами дисперсии, затуханием. Исследователи нашли длины волн, минимизирующие недостатки. Образовано несколько окон, используемых телекоммуникациями:

1. О – 1260..1360 нм.
2. Е – 1360..1460 нм.
3. S – 1460..1530 нм.
4. С – 1530..1565 нм.
5. L – 1565..1625 нм.
6. U – 1625..1675 нм.

Окна идут непрерывно, существующие системы связи могут состоять одновременно из двух-трёх. Исторически первый промежуток (800-900 нм) сегодня убран, поскольку потери оказались непомерно высокими. Окна О, Е характеризуются нулевой дисперсией. Чаще применяют S, C, демонстрирующие преимущества минимального затухания (максимальная дальность передачи).