Доклад по волоконной оптике

Санкт-Петербургский Государственный Технический Университет

Радиофизический факультет

Доклад

по волоконной оптике

студентов группы 2094/1

Михеева Евгения

и Агафонова Максима

10 ноября 2001 года Санкт-Петербург

Введение

История вопроса

Разумеется, нет ничего нового в использовании частот оптического диапазона для передачи информации. Визуальные методы связи широко используются не только человеком, но и в животном мире. Человек применял оптические сигналы для передачи информации на большие расстояния еще во времена первобытной цивилизации. Днем он использовал для этого, например, дымовые сигналы или отраженный солнечный свет, а ночью сигнальные огни. В подтверждение этого можно привести два примера из истории Древней Греции.

В пьесе Эсхила «Агамемнон», написанной в V веке до н.э. и описывающей события из греческой мифологии, происходившее за тысячелетие до ее написания, приведены объяснения Клитемнестры того, как она узнала предыдущей ночью о падении Трои:

«Гефест, пославшей с Иды вестовой огонь. Огонь огню, костер костру известие передавал».

Затем она дает графическое описание девяти символов, использованных для передачи новостей из Средней Азии в Аргос с помощью сигнальных огней.

Немного позже Геродот опишет, как в 480 г. до н.э. персидский полководец Мордониус, размышлял об отправлении теми же средствами аналогичного послания о взятии Афин своему императору Кирксу. Однако его мечта осталась неосуществленной.

В каждом из приведенных примеров информация передавалась с помощью заранее обусловленного сигнала. Хотя в древние времена были и более сложные методы сигнализации, однако на протяжении столетий вплоть до изобретения флажковой сигнализации в конце XVIII столетия, по-видимому использовались только сигнальные огни. Со временем они были заменены машинным на суше и флажковой сигнализацией и проблесковыми сигнальными лампами на море. Последние, в свою очередь, были заменены телефоном и телеграфной радиосвязью. К этому времени произошли существенные изменения в форме (характере) передаваемой информации. Все ранние системы передачи информации были такими, которые теперь мы назвали бы цифровыми системами, в то время как телефон и радио позволили передавать аналоговую информацию в аналоговом виде, т.е. в виде электрического колебания, непрерывно изменяющегося во времени.

Новизна и преимущество современных оптических систем связи заключается в том, что оптический сигнал обычно распространяется направленно по световодной системе и обеспечивает высокую информационную емкость канала связи.

Можно сказать, что современная эра оптической связи началась с изобретения лазера в 1958 г. и последовавшем вскоре созданием первых лазеров в 1961 г. По сравнению с излучением обычных источников оптического диапазона лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень большую интенсивность. Лазерное излучение в самом деле очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ диапазона, поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах связи. На первом этапе основной причиной интереса к лазерному излучению была возможность получения исключительно широкой полосы пропускания при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле лазерная система связи на гелий-неоновом лазере имеет полосу пропускания 470 ГГц (1% от основной частоты), в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов.

В 60-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерных излучателей (частотный, фазовый, амплитудный, по интенсивности и полярности, частотно-импульсный), а также был создан ряд лазерных систем связи, использующих распространение света в свободном пространстве.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем связи, в которых пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на расстоянии 10 или 100 метров. Благодаря работам К.С. Као с сотрудниками из Standard Telecommunications Laboratories в Харлоу (Англия) появился новый подход к созданию направляющих лазерных систем связи. Они предложили для передачи светового сигнала использовать длинные оптически волокна, подобные тем, которые уже использовались в эндоскопии и других областях. Можно утверждать, что статья Као и Хокэма, опубликованная в 1966 году, заложила основу теории волоконно-оптической связи.

Основной причиной, сдерживающей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в оптическом волокне. Если в ясный день ослабление оптического сигнала в атмосфере составляет всего несколько дБ на километр, то имевшиеся в то время лучшие стекла обладали минимальными потерями в видимой области спектра (порядка 1000 дБ/км). Главный тезис Као и Хокэма сводился к тому, что, если бы удалось уменьшить затухание в стекле в видимой или ближней инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических систем связи. При таком уровне затухания в волокне мощность передаваемого сигнала уменьшилась бы 106 раз при прохождении расстояния 3 км. Производители стекла во главе с фирмой Corning (США) нашли пути удаления примесей из материала волокна и достигли эт