Волоконные технологии и их роль в информационной революции
По всей планете тонкие оптические волокна несут огромное количество информации с места на место. Оптическое волокно обладает рядом полезных свойств для выполнения этой задачи. Они имеют огромную информационно-пропускную способность, также они имеют низкую стоимость, и обладают иммунитетом от многочисленных нарушений, которым могут подвергаться электрические провода и беспроводные линии связи. Превосходство оптических волокон для переноса информации с места на место, ведет к тому, что они способны быстро вытеснить старые технологии. Оптические волокна играют ключевую роль в обеспечении возможности беспрецедентного роста роли коммуникаций в мировых масштабах, которые произошли в течение последних 25 лет, и имеют жизненно-важное значение в обеспечении возможности использования высокоскоростного интернета.
Ключевое значение в ходе этих разработок в области информационных технологий имеют несколько основных, но жизненно-важных события. Главными из них являются: изобретение и развитие лазера, растущее понимание того, что это может сделать оптический канал связи практически применимым и полезными, производство очень чистого стекла, которое было достаточно прозрачным, что повлияло на пропускание света через стеклянные волокна на большие расстояния. Здесь рассматривается все события, которые играют важную роль в создании «информационного века».
Хотя физические принципы, лежащие в основе лазера, впервые были объяснены Альбертом Эйнштейном в начале прошлого века, он не были применимы до весны 1960 года, когда Теодор Мейман, работая в Малибу, штат Калифорния, произвела первый рабочий лазер. Этот лазер использовал специальный кристалл рубина, тогда были получены интенсивные вспышки красного света, свет имел свойства отличные от тех, которые излучали обычные источники. Лазерный свет является спектрально очень чистым и очень ярким. Эти свойства делают лазерный свет идеальным для передачи информации с места на место на большие расстояния. И вскоре возникло предположение, что эти свойства открывают новые возможности для расширения полезных функций оптических линий связи.
За последние почти сорок лет, события в изучении лазерного поля происходили в очень быстром темпе. Были обнаружены многие новые лазеры, каждый со своими особыми свойствами и приложениями, а также их стоимостью, производительностью и практичностью, все эти показали, со временем значительно улучшались. Хотя лазер впервые был описан как «решение ищет проблемы», теперь это уже не так. Эти устройства влияют на нашу жизнь во многих отношениях, каждый день. В кассе супермаркета лазер освещает штрих-код на каждую покупку, что позволяет его быструю идентификацию и оценку.
Каждый проигрыватель компакт-дисков содержит недорогой, полупроводниковый лазер, луч которого освещает образец информации, закодированной на поверхности диска, и позволяет его быстрый повторный перевод на музыкальные или компьютерные данные. В кабинете врача или в больницах, лазеры используются для многих мелких и крупных хирургических процедур: удаление рака кожи, родимых пятен и других поражений, для дробления камней в почках, при операциях на месте сетчатки глаза, для косметики хирургии, фотодинамической терапии, и в качестве специализированного скальпеля.
Наиболее широко используемым типом лазера является полупроводниковый лазер, который имеет много общего в своей технологии с полупроводниковыми приборами, которые мы используем в современных электронных устройствах. Основное различие между этими двумя полупроводниковыми технологиями является то, что обычные электронные полупроводники почти все устроены исключительно на основе элементов кремния, в то время как полупроводники, используемые в лазерах (и связанные с ними, так называемые оптико-электронные приборы) в основном базируются на смешанных полупроводниках, составленных из галлия (Ga) и мышьяка (As), а также алюминия (Al). Эти полупроводниковые лазеры, состоящие из GaAs / GaAlAs, обеспечивают свет для оптической связи вдоль оптических волокон.
Оптические системы связи имеют долгую историю. Древний человек сигнализировал об опасности с помощью дыма и огня, часто ретрансляция сообщений происходила от одной вершины горы к другой вершине горы. Тем не менее, эта оптическая схема связи имела ограниченную пропускную способность. Она могла бы служить предупреждением, как когда королева Елизавета Первая из Англии планировала возведение костров в случае вторжения морского флота из Испании. Дымовые сигналы, передаваемые коренными американцами, имели способность передавать различные сообщения. С конца сообщений восемнадцатого века были пройдены семафоры — использование флагов, чтобы указать передачу одного письма в то время. Эта форма коммуникации может передавать информацию со скоростью около одного письма в секунду на прямой видимости, хотя сообщения могут быть переданы на большие расстояния. Такие средства связи были не очень безопасными: кто-то в пределах прямой видимости отправителя сообщения мог считывать информацию (если он знал код). Сообщение также могло быть перехвачено и изменено в процессе реле, как это сделал в свою пользу граф Монте-Кристо.
Другое историческое использование оптической связи включало гелиограф — устройство для отражения солнечных лучей от передающей к приемной станции с помощью кода. Эта методика широко использовалась до начала двадцатого века в Конной в пустыне на юго-западе Соединенных Штатов Америки. Для прогрессирования оптической связи помимо этих ранних усилий, канал несущий информацию должен был быть разработан так, чтобы он был надежным, недорогим, и чтобы можно было бы его использовать на больших расстояниях, предпочтительно при высоких скоростях передачи данных. Фундаментальное физическое явление, которое сделало это возможным, называется полным внутренним отражением.
Это явление вызывает отражение света, а не преломление, когда он пытается пересечь границу из одной прозрачной оптической среды в другую при низкой оптической плотности и при достаточно большом угле падения. Уже в 1854 году, в Лондоне, Джон Тиндаль показал, что с таким скачком плотности свет может ориентироваться внутри прозрачной среды. Он сделал это, показывая, как свет ориентируется вдоль потока воды, протекающей из контейнера. Его простая демонстрация доказывает, что в правильных обстоятельствах свету не обязательно перемещаться по прямым линиям.
Преломления каждой среды представляет собой число, которое характеризует оптическую плотность среды относительно вакуума. Это число, которое описывает, как свет распространяется в среде по отношению к его скорости в вакууме. Если п 2 меньше п 1 это уравнение ограничивает углы, при которых луч света может пересечь границу. Если свет проходит из среды 1 в среду 2, а угол больше, чем критический угол, то свет не может преломляться через границу (так как не может быть больше, чем 90 O). Критический угол — это угол, синус которого равен п 2 / п 1. Когда луч света падает на границу под углом, большим, чем критический угол он отражается, и не пересекает границу. Исходя из того, что многие устройства, которые мы используем в реальной жизни, работают по принципу этого явления, и что многие природные оптические явления зависят от его проявления, мы не можем не знать об этом. Это явление можно понять на простом примере: пловец, который находится под водой, пытается смотреть вверх через поверхность воды. Если такой пловец выглядит более или менее прямо вверх по направлению к поверхности, он или она сможет увидеть, что находится над поверхностью. С другой стороны, если он или она смотрит под достаточно большим углом к поверхности, то он не сможет увидеть, что находиться над поверхностью воды. Конечно, рыба будет испытывать тот же эффект, и может видеть только в некотором диапазоне углов вблизи перпендикуляра к поверхности. Это явление имеет реальное практическое значение для рыбаков, так как рыба видит привлекательную приманку и не может увидеть ни стержень, к которому он прикреплен, ни рыбака.
Оптические волокна используют полное внутреннее отражение, чтобы держать световой луч внутри более плотного стекла, т.е. в центре композиционного цилиндрического стеклянного волокна, а именно в его сердцевине. Это, как если бы световые лучи направлялись вниз по сердцевине волокна по зигзагообразной траектории, последовательностью полных внутренних отражений на границе между сердцевиной стекла и менее плотного стекла вокруг него — оболочке.
Прежде чем обсуждать преимущества оптической связи вдоль таких волокон, вернемся назад во времени, чтобы рассмотреть свойства стекла, и как эти свойства должны были быть изменены, чтобы сделать оптические волокна достаточно прозрачными, чтобы сделать возможным передачу света в них на большие расстояния.
Обычное оконное стекло, будь то натриево-известковое стекло или боросиликат, на самом деле не является очень прозрачным. Это только так, кажется, потому что обычно используется его тонкие листы — толщиной, как правило, несколько миллиметров. Если вы исследуете кусок такого листового стекла, рассматривая его из узкого края, легко увидеть, что стекло имеет темно-зеленый или коричневый цвет при просмотре стекла толщиной в несколько сантиметров. Тем не менее, впервые было использовано стекло ненамного прозрачнее, чем это. В структуре стекла, которая в первую очередь, была разработана для медицинской визуализации, большое количество оптических волокон соединены вместе, чтобы сделать выровненный сверток. Оптическое изображение проецируется на один конец пучка, передается вдоль этого пучка, и далее изображение появляется на дальнем конце, где оно может быть просмотрено.
Для просмотра расстояния в несколько десятков сантиметров, количество пропущенного света, попадающего на дальний конец обычного стекла, было достаточно большим, чтобы позволить этим пучкам формировать изображение, которое будет использоваться для поиска в условиях ограниченного пространства, например, внутри тела, если конец был вставлен через тело в отверстие в пищеводе, желудке или кишечнике. Когда эти пучки изображений впервые были использованы, около 80% от первоначального света достигло дальнего конца пучка длиной 1м. К сожалению, для волокна длиной 100 м, только десятимиллиардная часть света достигает дальнего конца — по существу это значение равно нулю. Уменьшение интенсивности проходящего света экспоненциально убывает с увеличением длины волокна.
В приведенном выше примере затухание волокна составляет 1000 дБ на км (1000 дБ / км). Очевидно, что волокно с таким большим затуханием бесполезно для передачи света на большие расстояния. Еще вначале 60-х осознали, что если более прозрачное стекло не может быть разработано, то это временное явление и для его создания необходимо рассмотреть использование стеклянных волокон для переноса информации на большие расстояния более детально.
Работа стимулировала усилия других ученых и в 1970 году Дональд Кек, Роберт Маурер и Питер Шульц достигли ослабления фигуры 20 дБ / км. К 1975 году этот показатель снизился до 4 дБ / км. Затухание во внедренных волокнах с тех пор постепенно сокращалось, достигая значений 0,5 дБ / км в 1976 году, и 0,2 дБ / км в 1979 году. Последнее значение в перспективе указывало на то, что для волокна 10 км длинной с затуханием 0,2 дБ / км, около 63% света достигает дальнего конца волокна. Развитие волокон, обладающих таким малым затуханием, обеспечило оптические системы связи несущим каналом информации, это именно то, что им и было нужно.
Уменьшение затухания современных волокон было достигнуто путем разработки методов изготовления оптических волокон, которые по возможности устраняют примеси, в частности, гидроксильные ионы, когда требуются достичь низких значений затухания. Следует признать, что самые низкие уровни ослабления были достигнуты не для видимого света, а на двух длинах волн в ближней инфракрасной части спектра, около 1,3 микрометров (м) и 1,55 м. Затухание в ближней инфракрасной области спектра находится близко к минимальным достижимым значениям, которые определяются фундаментальными физическими явлениями в стекле, которое не содержит примесей.
Остаточное поглощение в условиях низкой потери современных оптических волокон поступает из нескольких источников: остаточного поглощения ультрафиолетового, инфракрасного, и рэлеевского рассеяния. Ионы гидроксила (OH -) поглощают свет вблизи 2,73 м, с более слабыми поглощениями на 1,39, 0,95 и 0,72 м. Содержание гидроксильных групп должно быть ниже 1 части на миллион (ррm), с тем, что ослабление на 0,9 м, составляющее менее 1 дБ / км. Даже если содержание воды в волокне сведено к минимуму, остаточное поглощение остается от инфракрасного поглощения основных колебаний связи. Это поглощения влияет на затухание волокна даже при более коротких длинах волн.
Оставшиеся значения, это неизбежный механизм затухания в волокне, вследствие рэлеевского рассеяния — естественная тенденция для любого атома или модуля переизлучать часть электромагнитного излучения во всех направлениях, падающего на него. Величина этого рассеяния резко возрастает на коротких длинах волн, и усиливается за счет структурного характера стекла. На самом деле именно это явление, вызывает окрашивание неба в синий цвет: более короткие длины волн в солнечном свете (синего света) рассеиваются сильнее, чем другие цвета. Микроскопические изменения плотности материала в стекловолокне приводят к сопутствующим изменениям показателя преломления, которые усиливают рэлеевское рассеяние света. Эта потеря может быть сведена к минимуму путем протягивания волокна в процессе производства таким образом, чтобы свести к минимуму вариации его состава.
Информационно-несущая способность оптического волокна намного больше, чем для его конкурентов: медных проводов, коаксиальных кабелей и радиорелейных линий связи. Кроме того, оптические волокна недороги в производстве, также они не проводят электрический ток (что делает их невосприимчивыми к помехам от гроз и других электромагнитных сигналов — за исключением ядерных излучений), они не подвержены коррозии, и имеют небольшой размер. Основная причина того, что оптические волокна имеют намного больше мощности передачи информации, чем в других средствах передачи данных, в том, что они несут свет: это может показаться тривиальным и очевидным наблюдением, но это имеет принципиальное значение. Частота световых лучей, которые проходят вдоль оптических волокон, находится в непосредственной близости от двух ста триллионов циклов в секунду (Гц).
В сравнении с частотой последнего поколения персональных услуг связи (PCS) сотовой беспроводной системы — около двух миллиардов циклов в секунду (2 ГГц). Рассмотрим частоты, которые должны быть переданы для голосовой связи, которые охватывают диапазон (полоса пропускания) примерно от 50 Гц до 20000 Гц (20 кГц). Действительно, так как существует очень малая необходимость включать высокие частоты для передачи голосовой связи, фактическая пропускная способность необходима только около 4 кГц. Вполне возможно производить около 50 миллиардов телефонных разговоров посредством одного лазерного луча в оптическом волокне.
Соответствующая емкость звена PCS составляет около 500 000 одновременных голосовых каналов. На практике не доказано, что можно достичь этих максимальных мощностей, хотя в настоящее время волоконно-оптическая связь выигрывает с огромным отрывом. Господство оптического волокна в качестве средства для переноса информации очевидно, так как такие волокна производятся по всему миру со скоростью 2000 миль в час.
Является ли использование оптических или радиорелейных линий возможным на полную мощность зависит от способа, которым была закодирована информация, и как различные сообщения смешиваются друг с другом (мультиплексируются). Для того чтобы рассмотреть более подробно, как это делается, необходимо отвлечься и обсудить природу цифровых представлений о информации и то, какое влияние оказывает вид передаваемой информации: голосовая, видео информация или компьютерные данные, на работу волоконно-оптических систем.