Решение столь великой задачи потребует создания сетей связи и передачи данных (включая, конечно, и вещание), покрывающих всю Землю. Сюда будут вовлечены все известные средства связи: космические, наземные эфирные, включая быстро развивающиеся сотовые, кабельные. Основы таких сетей закладываются уже сегодня. Опорной частью всепланетарной системы связи станут - теперь это ясно - волоконно-оптические линии. Уже прокладываются межрегиональные и межконтинентальные магистральные каналы. Так, в России, ведется строительство транссибирского канала, который станет важной частью мировой системы. Североамериканский континент, Западная Европа, Япония и еще несколько весьма развитых регионов уже покрыты достаточно густой волоконно-оптической сетью. Россия устремилась вдогонку, опаздывая к раздаче премиальных, но с впечатляющим ускорением.

Грандиозные цели - достаточная причина, чтобы заинтересоваться вопросом: что же это такое волоконная связь? Но рядом с глобальным часто соседствует и локальное. По страницам наших журналов нет-нет, но гуляет информация об оптоволоконной разводке сигналов на телецентрах, волоконно-оптических кабелях для присоединения камерных головок, удаленных на километры, к камерным каналам и другие примеры вещательных "фиброприложений". (Прим. ред.: английское слово Fibre, одно из значений которого - волокно, давно используется международной терминологией как термин-название оптического волокна и, часто, соответствующего кабеля; в русской терминологии уже более столетия в медицине, а позже и в химии, в ходу "калька" с английского - фибр; теперь все чаще этот термин у нас переносят и на оптические волокна.)

В этой статье будет рассказано о некоторых деталях физических процессов распространения сигналов по оптическим волокнам. Знание этих процессов полезно тем, кто или уже работает с волоконно-оптическими системами или готовится к этому, но не имеет профессиональной подготовки. Поскольку выходы на волоконно-оптические каналы - частично настоящее, а для многих вещателей - близкое будущее, адаптированное для неспециалистов изложение физических основ волоконной оптики представляется желательным. Всегда полезно знать подноготную - ведь в любом новом деле можно отыскать тонкие моменты, которые надо бы иметь в виду.

Немного предыстории

Как объект приложения инженерной мысли и реально существующее техническое средство, оптические волокна - относительно новое изобретение. Однако как физическое явление, как способ доставки светового потока в заданную точку, а не туда, куда ему предписано направиться в соответствии с прямолинейной траекторией распространения, канализация луча с использованием многих отражений - явление по возрасту очень почтенное. В стенах египетских храмов археологи обнаружили странные каналы, которые могли, по осторожным оценкам, служить световодами. По ряду источников известно о впечатляющих световых эффектах, которые использовались египетскими жрецами - их, вероятно, и обеспечивали упомянутые каналы. О световодных свойствах стержня из электрона (янтаря) знали древние греки. В годы расцвета Великого Рима вполне осознанно применялась подсветка фонтанов, а значит и световодные свойства водяных струй.

Тем не менее, наука закрепила приоритет открытия световодного эффекта за Джоном Тиндалом и отнесла его в 1870 г., когда в Королевском научном обществе Великобритании состоялась демонстрация эффекта канализации света по изогнутой стеклянной трубке, заполненной водой.

Долгое время эффект Тиндала привлекал лишь особо любознательных. И только к концу 60-х годов ХХ столетия английская фирма Standart Telecommunication Laboratories первой добилась обнадеживающих результатов по использованию стеклянных волокон для передачи световых сигналов и, тем самым, подготовила открытие соотечественника к применению в современных системах связи. Не знаю, насколько сознательно, но точно к столетию эксперимента Д. Тиндала американская фирма Corning Glass Works подгадала выпустить первые образцы стеклянных световодов с потерями ниже 20 дБ/км. Это был поворотный момент в истории световодов, поскольку удалось достичь уровня потерь света, приемлемого для самых разных применений, включая связь. И главное, появилась технология массового изготовления стеклянных волокон, пригодных для канализации света на относительно большие расстояния. Дальнейшее совершенствование оптических волокон и соединительных линий на их основе стало "делом техники".

Можно считать счастливым совпадением, что практически одновременно с оптическими волокнами появились лазеры, были разработаны новые технологии производства сверхчистых материалов. Последнее стало одним из важных звеньев великой технологической революции в микроэлектронике, принесшей массовую миниатюризацию электронной аппаратуры и сделавшей компьютеры персональными в подлинном значении этого слова. Однако в истории техники подобные совпадения слишком часты, чтобы счесть их случайными. Вот и сейчас массовые прорывы по многим технологическим направлениям, сулящие кардинальные изменения, на поверхности выглядят озарением гениальных одиночек, а вкупе - следствием подспудных, неосознанных до конца, но объективных причинных связей, и проявляются в отдалении, как закономерный итог прогресса.

Волоконная оптика прошла два и завершает третий этап развития. Первый - это примерно все семидесятые годы - этап изучения, совершенствования и привыкания к новым средствам передачи сигналов. Второй - этап освоения, отладки элементной базы и накопления опыта эксплуатации. На это также ушло около 10 лет. Теперь дело за "малым" - предстоит создать глобальную информационную систему, базовыми каналами которой станут оптоволоконные.

Что особенного в этих волокнах?

Действительно, известно достаточно много различных средств связи: проводная, кабельная на "коаксиалах", эфирная, включая сотовую и спутниковую. Что же в этом "созвездии имен" выделяет световодную технику связи? Основное и главное - в существенной разнице частот электромагнитных несущих, типичных для названных средств связи. Радиотехника в настоящее время только приблизилась к освоению миллиметрового диапазона ультравысоких радиочастот, а ведь они в 1 - 10 тысяч раз ниже несущих частот оптического диапазона (длины волн менее микрона). Соответственно ниже, в сравнении с оптикой, способность переносить большие массивы информации. По уже реализованной и, тем более, потенциально достижимой в будущем скорости передачи данных волоконно-оптические линии связи существенно превосходят любые более традиционные - тем и славны!.

Проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы и фидеры - все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства световолокон практически неограниченны. К этому следует добавить, что по диаметру, погонной массе оптические кабели существенно меньше коаксиальных собратьев, а при пересчете на единицу передаваемой информации это различие достигнет многих порядков. Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.

Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов и сами не создают таких помех. Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства связи. Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в них мощности очень малы.

Современные волоконно-оптические кабели имеют очень низкий погонный коэффициент потерь света. На магистральных волоконно-оптических каналах регенерация сигналов требуется лишь через десятки и сотни километров. Коаксиальные линии и по этому параметру существенно уступают.

Как правило, природа не терпит обмана. Если кому-то что-то удалось улучшить, то опытный инженер сразу же ищет, где скрыты потери. Поэтому поиск лучших решений, обычно, начинается с определения того несущественного, чем позволительно пожертвовать. Волоконно-оптическая связь - редкий пример выигрыша без заметных потерь. Впрочем, некоторые потери все же есть, но речь о них пойдет позже.

Световолоконная оптика в геометрической интерпретации

Строгая теория распространения сигналов по световодным линиям достаточно сложна. Однако геометрическая оптика предлагает для волоконно-оптических волноводов довольно простую и наглядную описательную модель.

Законы геометрической оптики были сформулированы еще триста лет назад в предположении, что свет - поток неких твердых частиц-корпускул, подчиняющихся законам механики, а оптика - лишь частная вариация на эту тему. Однако некоторые детали световодного эффекта можно понять только с позиций волновой теории. Они также будут упомянуты.

	Sinjпр =(n1/n2)Sinjп ; jп= jп
	Рис.1 Преломление и отражение света. Углы: jп - падения, jпр - преломления и - jп отражения луча

Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с разными коэффициентами преломления n₁ и n₂ то, как известно, наблюдаются два явления: преломление и отражение. Геометрические соотношения направлений падающего, отраженного и преломленного лучей, поясняются на рис.1. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С ростом угла падения преломленный луч будет быстрее падающего "прижиматься" к границе раздела. И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим, преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела.

Лучи, соответствующие случаю, когда преломленный луч - скользящий, выделен на рис.2 желтым цветом. При углах падения, больших критического (лучи красного цвета), преломленный световой поток отсутствует, поверхность раздела приобретает свойства идеального зеркала - вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Любой нырнувший, взглянув из-под воды вверх, может полюбоваться этим красочным явлением: зеркальной поверхностью воды с круглым отверстием, визуально отмечающим зону углов падения, меньших критического.

	Sinjкр =n2/n1
	Рис.2 Критический угол jкр и полное внутреннее отражение

Нарисованная справа картина, конечно, идеальна и, в частности, предполагает, что граница раздела - плоская поверхность. Шероховатости (к примеру, рябь на воде) разрушают эффект - это интуитивно понятно. Но есть один принципиальный аспект полного внутреннего отражения, который корпускулярное приближение не раскрывает. С позиций геометрической оптики фотоны-корпускулы отскакивают (подобно бильярдным шарам от бортиков стола) от непроницаемой границы раздела и, потому, не ведают, что есть там - за пределами границы. А вот "Его Величество" физический эксперимент показывает (практика работы со световодами подтверждает), что фотоны "ведают - и ведают прекрасно", что происходит в "зазеркалье". В чем же дело? Ответ следует искать в волновой концепции, которая утверждает, что при полном внутреннем отражении преломленные волны не исчезают, а лишь качественно изменяются, превращаясь в неоднородные поверхностные волны (рис.3).

	E=E0exp(-x/x0)
	Рис.3 Полное внутреннее отражение. Волновая концепция. X- координата вдоль нориали, X0- параметры неоднородности

Обычные электромагнитные волны (а видимый нами свет - из их числа) называют объемными. Все компоненты волнового вектора объемной волны - действительные, поле "деятельности" - все пространство. Поверхностные волны (видно уже из названия) привязаны к определенным поверхностям. Компонент волнового вектора вдоль нормали (на рис.3 синяя стрелка) - мнимый, вдоль поверхности (желтая стрелка) - действительный. При удалении от границы раздела амплитуда поверхностной волны спадает по экспоненте, из-за чего такие волны и называют неоднородными. Параметр неоднородности x₀ определяет скорость спада амплитуды поверхностной волны при удалении от границы, его значение совпадает с обратным значением коэффициента при мнимой части волнового вектора. Этот коэффициент достаточно сложно зависит от разности коэффициентов преломления сред, угла падения волны. Интересно ведет себя поток энергии в направлении, ортогональном границе раздела. Он осциллирует (с некоторой натяжкой можно сказать: "изменяется") с частотой световых колебаний, например, уменьшается от максимума до нуля, затем меняет знак и растет до максимума. В среднем по времени поток энергии через границу раздела равен нулю.

	Рис.4 Делитель световых потоков на оптическом контакте, X- ширина зоны контакта

Латинское слово virtualis определяет довольно сложное понятие: "скрытый, но способный проявиться". В этом отношении поверхностная волна - воистину виртуальна. На рис.4 представлен известный оптикам прибор - делитель световых потоков, в котором используется эффект оптического контакта или, иными словами, одна из способностей поверхностной волны проявиться. Если удалить верхнюю призму, то в нижней будет наблюдаться полное внутреннее отражение: световой поток должным образом и полностью отражается. Теперь приблизим верхнюю призму так, чтобы толщина оставшегося промежутка воздуха оказалась сопоставимой с параметром неоднородности x₀. В верхнюю призму через поверхностную волну начнет просачиваться энергия и будет частично восстановлен световой поток. Амплитуда просочившейся световой волны экспоненциально зависит от отношения x/x₀. Изменяя толщину промежутка x, можно в широких пределах управлять интенсивностью проходящего и отраженного световых потоков. Эффекты, подобные просачиванию, в квантовой механике называют тунельными.

Потери световой энергии, определяемые процессами поглощения и рассеяния, присущи любой среде - даже и очень прозрачной. Очевидно, что потери в материалах сердечников оптических волокон надо снижать и снижать. Но тоже самое следует сказать и о материале оболочек, потому что центры поглощения и рассеяния эффективно "проявляют" виртуальную поверхностную волну. Именно по этой причине требования к оптическому качеству материала оболочки волокна столь же высоки, как и к материалу сердечника - и повинна в том поверхностная волна.

Оптические волокна

	Рис.5 Оптическое волокно

Конструкция оптического волокна проста. Сердечник из оптически плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это (на всякий случай!) покрыто защитной оболочкой. Размеры конструктивных элементов на рис.5 условны. Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод электромагнитных волн.

Процесс распространения света по оптическому волокну можно представить чередой полных внутренних отражений лучей на границе раздела сердечника и оболочки. Сказанное поясняет рис.6.

	Рис.6 Распространение света по оптическому волокну с позиций геометрической оптики. q - угол скольжения; qкр=p/2-jкр»Ц2(n1-n2)/n1 - критический угол скольжения

В волокне, на первый взгляд, может распространяться целый пучок лучей с углами скольжения (угол между направлением луча и осью волокна) от 0^о до 90^о - j_кр. Различие коэффициентов преломления сердечника n₁ и оболочки n₂ оптоволокна можно считать малым, по этой причине малы и углы скольжения. Критический угол скольжения q_кр пропорционален квадратному корню из удвоенной относительной разницы коэффициентов преломления. В геометрической оптике все лучи, лежащие в конусе с углом раскрыва q_кр, являются разрешенными и могут распространяться по оптическому волокну. В действительности же, разрешенным для волокна является только дискретный набор мод. Само понятие мод и условия их отбора определяются только в рамках волновой концепции. Однако дополнив рассмотренную геометрическую схему распространения лучей одним простым условием, можно ввести моды и через корпускулярную модель. Вот это условие: разрешенными направлениями в волноводе являются только те, для которых на отрезках траектории луча между последовательными отражениями укладывается целое число полудлин волн света - l/2.

Чтобы дать почувствовать, хотя бы порядок упоминаемых здесь и ниже величин и параметров, я буду приводить некоторые оценочные расчеты. Итак, допустим, что разность коэффициентов преломления n = n₁ - n₂ = 1/100 при коэффициенте преломления сердечника n = 1,6. Критический угол скольжения в этом случае приблизительно составит q_кр = 0,2 радиана или около 10⁰. Угловое расстояние между нулевой (направленной по оси волокна) и следующей (первой) модой q₁ оценивается отношением q₁ = l/d - длины волны света к диаметру сердечника. При диаметре сердечника 50 мкм и длине волны 1 мкм угловое расстояние q₁ = 0,02. Отношение q_кр/q₁, которое в данном случае приблизительно равно 10, позволяет оценить возможное число мод, но это - весьма грубая оценка, поскольку угловые расстояния между соседними модами при приближении к критическому углу уменьшаются в 25 раз. В рассмотренном примере следует говорить о десятках разрешенных мод.

Многомодовый режим распространения характерен для волокон с относительно большими диаметрами сердечника в десятки микрометров. В волокна, сердечники которых имеют большой диаметр, световой поток вводить относительно легко, их достаточно просто соединять или сваривать, да и сами волокна заметно дешевле. Поэтому везде, где допустим многомодовый режим, следует рекомендовать к применению оптоволокно с "толстым" сердечником.

"Верным спутником" многомодового режима является дисперсия волновода. В данном случае речь идет о зависимости скорости распространения света в направлении вдоль оси от номера моды. Действительно, чем больше номер моды, тем больше ее угол скольжения. Скорость распространения вдоль оси волновода определяется произведением скорости света в среде на косинус угла скольжения. Скорость нулевой моды совпадает со скоростью света в среде, для остальных мод она падает с ростом номера. Это утверждение можно понять, сравнивая фактические длины пути лучей разных мод на определенном участке волокна, например, воспользовавшись рис.6.

Дисперсия скоростей довольно вредное явление, ограничивающее скорости передачи данных. Например, короткий импульс в процессе распространения расширяется, его форма искажается. Эти искажения в первом приближении пропорциональны длине пути сигнала в волокне. Объясняется это явление достаточно просто. К выходному концу линии вслед за импульсом, переданным нулевой модой, приходят остальные импульсы с запаздыванием, для каждой моды своим. Выходной сигнал - итог сложения этих запаздывающих импульсов. Интервал интегрирования (сложения, усреднения) пропорционален квадрату критического угла скольжения и прямо пропорционален длине линии. С помощью наглядного геометрического (рис.7) построения можно проиллюстрировать сказанное.

	Рис.7 Дисперсионное расширение импульсов

На рис.7 показано, как формируется одиночный импульс - а, затем последовательность из четырех импульсов - б и, наконец, сигнал на выходе линии как результат простого суммирования четырех последовательных импульсов - в. Допустим, что по линии передается очень короткий импульс, который можно представить вертикальной черточкой. Черточка с цифрой 0 внизу соответствует нулевой моде. Слева от нее размещен импульс первой моды, далее второй, третьей...

Высота каждой последующей черточки снижена, что соответствует естественному уменьшению интенсивности моды с ростом ее номера. Как уже отмечалось, с ростом номера моды уменьшается и ее угловое расстояние до соседней, а значит скорость и, в итоге, - задержка. Это также учтено на рисунке. Через вершины черточек проведена кривая, которая и дает представление о форме импульса, подвергнувшегося дисперсии. Далее показано, что получается при суммировании четырех расширенных дисперсией импульсов (рис.7 б и в).

Если параметры волокна соответствуют указанным выше, то для потока данных 3 Мбит/с, переданных на расстояние 1 км, время усреднения за счет дисперсии может совпасть с длительностью одного такта. Это означает, что по линии передается недостоверная информация (похожая на сигнал на рис.7 в). Еще раз подчеркнем, что многомодовый режим распространения сигналов ведет к фазовой дисперсии и влечет достаточно жесткие ограничения на длину волоконно-оптической линии связи.

Таким образом, передача сигналов на приличные расстояния требует применения бездисперсионных волокон, а значит одномодовых. Условием одномодового режима является следующее: угловое расстояние между нулевой и первой модами должно превышать критическое значение угла скольжения. Отсюда следует, что диаметр сердечника одномодового волокна должен быть меньше d₀ = l/q_кр. Воспользовавшись нашими оценочными параметрами, получим, что d₀ = 5 мкм. Итак, одномодовые оптические волокна имеют микронные диаметры.

Определенная дисперсия сохраняется и в одномодовых волокнах. Так, для стекла расширение импульса составляет примерно 0,4 нс/км. Если ориентироваться на магистральные каналы глобальных систем и максимальную скорость передачи данных, то это - не слишком обнадеживающий параметр, хотя для многих иных применений он неплох. Снизить дисперсию удается, например, в "селфоках" - так называют волокна, в которых используется эффект самофокусировки.

	Рис.8 Световолокно с градиентом коэффициентом преломления сердечника

В селфоках коэффициент преломления сердечника изменяется по закону, близкому к параболическому (рис.8). Точнее, это закон вида x-k. При k = 2 мы имеем параболический закон, а для режима жесткой самофокусировки необходимо, чтобы k был несколько больше 2. В световодах с подобным профилем оптической плотности световой поток стягивается к оси, его угловые размеры минимизируются, дисперсия снижается до 0,1 нс/км и ниже. Впрочем, приемы снижения дисперсии, ответственной за ограничение скорости передачи данных, постоянно совершенствуются.

Микронные размеры диаметра сердечника одномодовых оптических волокон создают множество трудностей по вводу достаточно интенсивных потоков в волокно, их соединения и разветвления и т. п. Именно в этом плата, которую берет природа за те совершенства, о которых говорилось в начале статьи.

Проблему можно несколько смягчить, используя многослойные волокна. Специально подбирая число и толщину слоев, разности их коэффициентов преломления, можно обеспечить одномодовый режим в волокнах с относительно большими диаметрами сердечников. Такие решения не нашли широкого применения из-за многократно возрастающей сложности производства, и без того не простой. Тем не менее, технологии изготовления волокон постоянно совершенствуются - и не исключено, что многослойные световоды пробьют дорогу в массовое производство.

Волоконно-оптические линии

Ни фибром единым жива волоконно-оптическая связь. Это целый комплекс элементов и деталей - и все жизненно необходимы.

	Рис.9 Оптический кабель

Оптический кабель.
Тонкое, микронное стекловолокно, пусть и в нейлоновой рубашке, разумный хозяин "не выбросит" просто так во внешний мир. Его заключают в кабель - достаточно сложное устройство, часто многоцелевое. Помимо оптических волокон такой кабель содержит элементы, придающие ему высокую прочность и обеспечивающие надежную защиту наиболее ценной и не слишком прочной начинки. Он может нести провода электропитания для необслуживаемых регенерационных пунктов, линии проводной связи, например, служебной, коаксиалы и т. п. Конструкция оптического кабеля, число оптических волокон, размещение и материалы элементов, обеспечивающих требуемые жесткость и прочность, зависят от конкретного назначения. Одна из типовых конструкций оптического кабеля приведена на рис.9. Такой кабель, предназначенный для прокладки в грунте, выпускает российская фирма ЭЛИКС.

В центре сечения кабеля размещен силовой элемент - 1 из стеклопластика диаметром 2 мм. Вокруг него расположены оптические модули - 2, в каждом - четыре одномодовых волокна, погруженных в пластический материал. Диаметр модуля также 2 мм. На рисунке представлен вариант кабеля с двумя оптическими модулями, которые несут восемь волоконно-оптических линий. Оставшиеся свободными четыре места заполнены упрочняющими модулями 3 - корделями из полиэтилена со стеклонитями. В корделях могут размещаться и провода питания. Все "пустоты" кабеля заполнены гидрофобным материалом 4. Оптическая часть защищена ленточным покрытием - 5 и затем броней из стальных проволок - 6. И, наконец, все это прикрыто защитным шлангом - 7. Общая толщина кабеля около 16 мм. Выпускаются оптические кабели с числом волоконных линий 16, 32 и более.

Источники, модуляторы, усилители и приемники света.
В самых простых вариантах применения световолокон, например, в фиброскопах, оптических трансформаторах изображения и других, где волокно достаточно толстое, а расстояния передачи - метры, годится, в принципе, любой источник - даже лампы накаливания. Для многомодовых волоконных линий связи в большинстве случаев можно рекомендовать светодиоды с модуляцией излучения по току. Однако, если речь идет об оптической связи на большие расстояния и о передаче больших массивов информации, то без полупроводниковых лазерных генераторов не обойтись.

Если в технологии производства оптических волокон мы с самого начала отставали, то по такому решающему элементу волоконной связи, как полупроводниковые лазеры, были и остаемся "впереди планеты всей". Лидерство России обеспечила и поддерживает, в первую очередь, научная школа лауреата Нобелевской премии академика Н. Басова.

Зоной излучения полупроводникового лазера является p-n - переход, толщина которого сопоставима с диаметром одномодового волокна. Это существенно облегчает ввод светового сигнала в линию.

Первые полупроводниковые лазеры были простыми диодами, затем широкое распространение получили лазеры на гетероструктурах. Сейчас это - весьма сложная микросхема. Самый простой способ модуляции излучения полупроводникового лазера это - модуляция по току питания. Однако по динамическим характеристикам, линейности и, в особенности, по полосе частот такой способ модуляции не отвечал требованиям широкополосной и дальней оптической связи. Поэтому в микросхеме лазера появились специальные элементы управления инжекцией носителей в излучающий p-n-переход.

Совмещение функций - часто используемый прием, обеспечивающий компактность, экономию материалов, энергии и аппаратных средств. Но специалисты прекрасно знают, что совмещенные функции, как правило, реализуются не лучшим образом. Сказанное в полной мере относится и к лазерам. Совмещение функций генерации и модуляции излучения вело к некоторой деградации и той, и другой. Поэтому в каналах связи, где необходимо обеспечить самые высокие потоки данных, лазерный генератор и модулятор света должны быть самостоятельными элементами. В принципе, изготовить полупроводниковый амплитудный модулятор света - не самая сложная задача. Но возникает проблема оптического совмещения генератора и внешнего модулятора. Здесь должны быть обеспечены точности совмещения до долей микрона. Практически идеальным решением стало размещение генератора и модулятора на одной подложке (чипе) и единая интегральная технология их формирования.

Одной из последних разработок этого рода является интегральная схема, в которой на индий-фосфорной подложке поочередно формируются тонкие пленки из индия-галлия-мышьяка и индия-галлия-мышьяка-фосфора. У границы раздела пленок во второй из них формируется переход, где генерируется излучение. Далее первая пленка удаляется. Эта часть используется как модулятор. В отсутствии напряжения модулятор пропускает излучение, а при подаче потенциала - блокирует его. Таким образом, достигается импульсная модуляция света. Тактовые частоты следования оптических импульсов, формируемых рассматриваемой микросхемой, могут достигать частот 10 - 20 ГГц. Это пока рекордные показатели.

Одна из основных функций регенерационных пунктов - усиление световых сигналов. Очевидным решением является преобразование оптического сигнала в электрический с последующей его обработкой традиционными средствами электроники. Так и поступают во многих случаях. Однако каждое преобразование несущей - это потери. Поэтому там, где требования наиболее жестки желательно оптическое усиление. Функцию усилителя способен выполнить тот же прибор, что и генерирует излучение, - полупроводниковый лазер. Фактически, лазер - это узкополосный усилитель света, размещенный в оптическом резонаторе. В полупроводниковых лазерах резонатор образуют выходные по свету торцы кристалла. Они отражают 0,3 - 0,5 потока падающего света. Этого достаточно для появления лазерного эффекта. Если просветлить торцы, прибор станет усилителем.

Несколько слов о диапазонах электромагнитного излучения, используемых в современных волоконно-оптических линиях, - это 1,3 и 1,55 мкм. Выбор этих участков ближнего инфракрасного излучения не случаен: они лежат в центрах окон наибольшей прозрачности для материалов, используемых в стекловолокнах. Например, рассмотренная выше интегральная схема "лазер + модулятор" работает в диапазоне 1,55 мкм.

Родословная современных фотоприемников также начинается с полупроводниковых диодов. Как и в случае с лазерами, эти приборы к настоящему времени существенно усложнились. В первом приближении между свето- и фотодиодами можно поставить знак равенства, различие их скорее в режимах работы, чем в конструктивном исполнении. Микросхемное усложнение этих приборов, конечно, проявило специализацию: излучатель или приемник. В приемниках диапазона 1,3 мкм используются германиевые диоды. А вот фотоприемники на основе уже упомянутого индий-галлий-мышьяка перекрывают довольно широкую полосу длин волн 1,2 - 1,6 мкм.

Без сомнения, особого разговора заслуживают и средства прецизионного соединения, сращивания волокон, специальная измерительная техника. В этой области российские предприятия, опираясь на высокие технологии ВПК, добились хороших результатов.

Весомые аргументы прогресса

Первые стекловолокна имели потери около 1000 дБ/км, но уже скоро этот показатель уменьшился до 100 дБ/км, а к столетию официального открытия световодного эффекта, как уже упоминалось, он был снижен еще в 5 раз. К началу восьмидесятых годов технологии очистки материала от примесей и изготовления практически идеально однородных волокон с минимальным числом "замороженных" напряжений были усовершенствованы настолько, что стал возможным массовый выпуск волокон с потерями, близкими к 1 дБ/км. Сейчас этот параметр еще ниже и приближается к 0,1 дБ/км. Волокна с потерями 0,3 дБ/км в настоящее время относятся к наиболее часто используемым в магистральных каналах. Налажено их массовое производство.

Соответственно менялась и длина регенерационного участка. Первые линии едва достигали сотни метров, но довольно быстро вышли на километровые длины. К концу семидесятых длина регенерационного участка (длин волоконно-оптической линии между соседними регенерационными станциями) приблизилась, а затем перевалила за 10 км. Через пять лет лучшим достижением уже стала длина регенерации 30 км, а линии с регенерационным участком в 10 - 20 км - вошли в серию. К девяностому году был преодолен рубеж в 100 км. На выставке "Связь - Экспокомм’96" фирма Lucent Technologies провела пресс-конференцию, на которой, в частности сообщила, что теперь длина регенерационного участка достигла внушительной цифры 1000 км. Это означает, что на линии, натянутой по экватору, потребуется только 40 станций регенерации, а при пересечении России - не более 11!

Столь же внушителен прогресс и по скорости передачи данных. Уже в начале девяностых годов российское НПО "Дальняя связь" выпустила комплекс оборудования цифровой волоконно-оптической связи с потоком около 140 Мбит/с и "Сопка-5" - на 565 Мбит/с. Это же предприятие выпустило аппаратуру цифровой соединительной линии 280 Мбит/с для передачи сигналов двух вещательных телевизионных программ со стереофоническим сопровождением на расстояние 30 - 35 км. Конечно, это не было высшим мировым достижением, но отвечало вполне приличному уровню. Экспериментаторы в это время уже замахивались на передачу по одному каналу до 50 телевизионных программ - без компрессии! В Японии уже велась подготовка к закладке наземной национальной сети связи, в основу которой были положены волоконно-оптические линии связи со скоростью передачи до 1244, 16 Мбит/с, соответствующей 30 уровню иерархии стандартных цифровых каналов. Длина регенерационного участка 30 - 40 км.

В настоящее время скорость передачи данных по волоконно-оптической линии достигла 5 - 6 Гбит/с, а к концу столетия ожидается, что она возрастет еще в полтора раза и приблизится к 10 Гбит/с. Этого достаточно для передачи 1000 телевизионных программ.

Хотелось бы коротко рассказать и о вероятном будущем волоконной оптики, связанным с солитонами. Судя по немногим публикациям на эту тему в нашей печати, их авторы не вполне понимают, о чем же идет речь.

Определенный сумбур заметен и в публикациях зарубежных изданий по связи. Поэтому начну со ссылки на книгу "Элементы оптоэлектронных информационных систем" (авторы Н.В. Кравцов, Л.Е. Чирков, В.Л. Поляченко), вышедшую в 1970 г. в издательстве "Наука", где я писал об особенностях нейристоров - технических аналогах нейронных соединений в нервных системах, в том числе, человека. Так вот, солитонная связь - одно из возможных применений соединений, относящихся к нейристорным.

Нейристор - это линия с распределенной вдоль нее возобновляемой инверсной энергией возбуждения. Эта энергия подпитывает распространяющиеся по линии импульсы. Нейристорная линия имеет определенный порог возмущения. Сигналы с размахом ниже этого порога в линии быстро затухают. Любые возмущения, превышающие порог, распространяются по нейристору с определенной скоростью и за счет подпитки распределенной энергией быстро приобретают стационарную амплитуду и форму. Вот эти нейристорные стационарные импульсы, применительно к активным световодам, и называют солитонами. Латино-греческое solo tonos и означает отдельный импульс.

Стационарный импульс отбирает распределенную в нейристоре энергию, для восстановления которой требуется некоторое время, называемое временем рефрактерности. Поэтому за стационарным импульсом следует тень - ее называют зоной рефрактерности. Импульс, попавший в эту зону, быстро затухает. Длина зоны рефрактерности задает минимальное расстояние между следующими друг за другом импульсами, а, значит, и максимальные тактовые частоты. Два импульса, столкнувшиеся в нейристоре, уничтожают друг друга, поскольку не могут преодолеть зону рефрактерности соперника. На основе нейристоров может быть технически реализована логика, близкая к логике работы мозга.

Лазерные усилители - типичный пример линии с распределенной инверсной энергией, подпитывающей световые импульсы. Именно их предлагалось использовать в упомянутой выше книге для моделирования нейристоров. Солитонное излучение формируется в волокнах из специальных полимерных материалов.

Мощный световой поток от подпитывающего лазера, распространяясь по волокну, вызывает инверсное возбуждение. Оно за счет безызлучательного перехода передается на метастабильные (долгоживущие) уровни, частота перехода которых совпадает с частотой оптических импульсов, несущих информацию. Подпитка светового импульса осуществляется за счет стимулированного излучения с метастабильного уровня. Японской телефонной и телеграфной корпорации NTT удалось осуществить экспериментальную солитонную связь на расстояние 3000 км со скоростью передачи данных 20 Гбит/с. Пока это только начало, но начало впечатляющее.

Герои нашего времени

Можно назвать огромное число больших и малых фирм, активных в области волоконно-оптической связи. Среди гигантов уже упомянутая Lucent Technologies, год назад выделившаяся из AT&T. Последняя сохранила теперь только функции оператора связи. Можно назвать шведский Ericsson, финскую компанию Nokia, ряд французских компаний Franсe Telecom, Alkatel... И еще очень долго можно продолжать этот список.

В России несомненным лидером остается FOT - акционерное общество открытого типа "Волоконно-оптическая техника". FOT, как ассоциация государственных, коммерческих и общественных организаций, предприятий и объединений, была создана в 1981 г. Она тогда объединила более 100 предприятий различных союзных министерств для решения проблемы создания отечественных волоконно-оптических систем. В 1992 ассоциация была преобразована в акционерное общество. За годы существования приняла участие в качестве ведущего предприятия в реализации многих больших проектов, связанных с волоконно-оптическими системами. Современное относительно благополучное состояние дел в отечественной волоконной оптике во многом связано с деятельностью FOT. Словом, создание этой ассоциации 15 лет назад было прекрасным решением.

Очень активно, например, действует в Москве МАКОМНЕТ - фирма создавшая, развивающая и постоянно совершенствующая волоконно-оптическую цифровую сеть, ставшую самой современной составной частью телекоммуникационной инфраструктуры Москвы. Эта сеть вместе с сетями МЕТРОКОМ и РАСКОМ является важным звеном сети связи России. Сеть МАКОМНЕТ построена с использованием сооружений московского метрополитена, она функционирует с 1993 г. Надо сказать, что фирма МАКОМНЕТ - это совместное предприятие, учрежденное московским метрополитеном и американской компанией Andrew, к слову, весьма известной и авторитетной, в том числе, в области оптических средств связи.

	Рис.10 Всемирная волоконно-оптическая магистраль компании Cable & Wireless

В заключение хотелось бы остановиться на глобальной цифровой волоконно-оптической магистрали компании Cable & Wireless. На рис.10 приведена карта, магистрали. Это 25000 км оптоволоконного кабеля, соединившего более 100 городов Европы, Северной Атлантики и Северной Америки, Южной и Юго-Восточной Азии. На рис.11 показано одно из судов большой флотилии, используемой для прокладки и поддержания в работоспособном состоянии морских участков магистрального кабеля.

	Рис.11 Специализированное судно используемое при прокладке кабеля на ремонтных работах

Компания имеет десяток филиалов в разных регионах мира. Один из них - в Москве. Эта магистраль - наглядное свидетельство могущества современной техники, уже готовой к тому, чтобы "опутать" Землю.

Глобальная информатизация несет кардинальные изменения среды обитания людей, ритмов работы, отдыха, всей жизни. За этим скрыты далеко идущие социальные последствия. Современная техника, в принципе, готова осуществить этот переход в самые короткие сроки. Но готово ли к столь стремительному изменению среды обитания само человечество? Убедительные ответы на этот важный вопрос мне не известны. Боюсь, что они и не найдены.

Дело в свои руки уже взял "Бог-изобретатель". А вот остережет торопливых опыт - ведь недаром он "сын ошибок трудных"!