История лазера. Научное издание
Шрифт:
Оптические волокна и лазерная связь
РЎРѕ времен античности свет использовался для передачи сообщений. Р’ Китае, Египте, Рё РІ Греции использовали днем дым, Р° ночь РѕРіРѕРЅСЊ для передачи сигналов. Среди первых исторических свидетельств оптической СЃРІСЏР·Рё РјС‹ можем вспомнить осаду РўСЂРѕРё. Р’ своей трагедии Агамемнон, РСЃС…РёР» дает детальное описание цепочки сигнальных огней РЅР° вершинах РіРѕСЂ РРґР°, Антос. Масисто, Египланто Рё Аракнея, Р° также РЅР° утесах Лемно Рё Кифара, для передачи РІ РђСЂРіРѕ весть Рѕ захвате РўСЂРѕРё ахейцами.
В более поздние, но в античные времена, римский император Тиберий, находясь на Капри, использовал световые сигналы для связи с побережьем.
На Капри до сих пор можно видеть руины античного Фаро (свет) вблизи виллы императора Тиберия на Тиберио Маунт.
Р’ Северной Америке РѕРґРЅР° РёР· первых оптических систем СЃРІСЏР·Рё была установлена около 300 лет назад РІ колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек РІ Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило СЂСЏРґ позиций для сигнальных огней РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. Р’ этой цепи, которая начиналась СЃ Рль Верте, РЅР° расстоянии около 200 РєРј РѕС‚ Квебека ниже РїРѕ течению, было РЅРµ менее 13 пунктов. РЎ начала 1700-С… РіРі. РІ каждой РёР· этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать Р·Р° сигналом, посылаемым РёР· деревни ниже РїРѕ течению, Рё передавать его далее. РЎ помощью такой системы сообщение Рѕ британской атаке РІ 1759 Рі. достигло Квебека прежде, чем было слишком РїРѕР·РґРЅРѕ.
В 1790 г. французский инженер, Клод Шапп, изобрел семафоры (оптический телеграф), располагаемые на башнях, установленных в пределах видимости одна от другой, что позволяло посылать сообщения от одной башни к другой. В 1880 г. Александр Грэхем Белл (18471922) получил патент на фотофон устройство, в котором использовался отраженный солнечный свет для передачи звука к приемнику. Отраженный свет модулировался по интенсивности путем колебаний отражающей мембраны, помещенной в конце трубки, в которую Белл говорил. Свет проходил расстояние около 200 м и попадал на селеновую ячейку (фотоприемник), связанную с телефоном. Хотя Белл рассматривал фотофон как наиболее важное свое изобретение, его применение ограничивалось погодными условиями. Однако это обстоятельство не помешало Беллу написать отцу:
Я услышал разборчивую речь, произведенную солнечным светом!... Можно вообразить, что этому изобретению обеспечено будущее!... Мы сможем разговаривать с помощью света на любом расстоянии в пределах видимости без каких бы то ни было проводов ...В условиях войны такую связь нельзя прервать или перехватить.
Рзобретение лазера стимулировало возросший интерес Рє оптической СЃРІСЏР·Рё. Однако, РІСЃРєРѕСЂРµ было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки СЃ газовыми линзами Рё диэлектрические волноводы, РЅРѕ РІСЃРµ РѕРЅРё были оставлены РІ конце 1960-С… РіРі., РєРѕРіРґР° были разработаны оптические волокна СЃ малыми потерями.
Понимание, что тонкие стеклянные волокна РјРѕРіСѓС‚ проводить свет Р·Р° счет полного внутреннего отражения, было старой идеей, известной СЃ XIX РІ. благодаря английскому физику Джону Тиндалю (1820-1893) Рё использованной РІ инструментах Рё для освещения. Однако РІ 1960-С… РіРі. даже лучшие стекла обладали большим ослаблением света, пропускаемого через волокно, что сильно ограничивало длину распространения. Р’ то время типичным значением ослабления был РѕРґРёРЅ децибел РЅР° метр, означающим, что после РїСЂРѕС…РѕРґР° 1 Рј пропущенная мощность уменьшается РґРѕ 80%. Поэтому было возможным лишь распространение РїРѕ волокну длиной несколько десятков метров, Рё единственным применением была медицина, например СЌРЅРґРѕСЃРєРѕРїС‹. Р’ 1966 Рі. Чарльз Као Рё Джордж РҐРѕРєС…СЌРј РёР· Standard Telecommunications Laboratory (Великобритания) опубликовали фундаментальную работу, РІ которой показали, что если РІ плавленом кварце тщательно устранить примеси, Р° волокно окружить оболочкой СЃ меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления РґРѕ -20 РґР‘/РєРј[15]. Рто означает, что РїСЂРё прохождении длины 1 РєРј мощность пучка ослабляется РґРѕ РѕРґРЅРѕР№ сотой РІС…РѕРґРЅРѕР№ мощности. Хотя это Рё очень малое значение, РѕРЅРѕ приемлемо для СЂСЏРґР° применений.
Как часто бывает РІ таких ситуациях, РІ Великобритании, РЇРїРѕРЅРёРё Рё РЎРЁРђ начались интенсивные усилия СЃ целью получить волокна СЃ улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут РІ 1970 Рі. Р•. Рџ. Капроном, Дональдом Кеком Рё Робертом Майером РёС… Компании РљРѕСЂРЅРёРЅРі Глас. РћРЅРё изготовили волокна, которые имели потери 20 РґР‘/РєРј РЅР° длине волны 6328 Рђ (длина волны He-Ne-лазера). Р’ том же РіРѕРґСѓ Р. Хаяши СЃ сотрудниками сообщили Рѕ лазерном РґРёРѕРґРµ, работающем РїСЂРё комнатной температуре.
Р’ 1971 Рі. Р. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой СЃРІСЏР·Рё РІ AT&T Bell Laboratories (Холмдел, РќСЊСЋ-Джерси, РЎРЁРђ), Рё ему было поручено разработать системы СЃ высокой скоростью передачи информации. Его начальники РЈ. Даниельсон Рё Р . Компфнер перевели часть персонала РІ РґСЂСѓРіСѓСЋ лабораторию, СЂСѓРєРѕРІРѕРґРёРјСѓСЋ РЎ. Миллером, чтобы РЅРµ спускать глаз СЃ того, что РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РІ области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон Рё Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую РіСЂСѓРїРїСѓ для изучения практической возможности СЃРІСЏР·Рё СЃ помощью волокон. Было СЏСЃРЅРѕ, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является СЃРІСЏР·СЊ телефонных станций РІ крупных городах. РўРѕРіРґР° для этого использовались кабели, Р° информация передавалась РІ цифровом РІРёРґРµ, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, СЃ РёС… способностью передавать РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы Рё телефонные станции РІ больших городах расположены РЅР° расстояниях несколько километрах РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, Рё РёС… уже РІ то время можно было связать без проблем, даже используя волокна СЃ относительно большими потерями.
Ртак, предварительный эксперимент был сделан РІ середине 1976 Рі. РІ Атланте СЃ оптическими волоконными кабелями, помещаемыми РІ трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел Рє созданию системы, которая связала РґРІРµ телефонные станции РІ Чикаго. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ этих первых результатов, осенью 1977 Рі., РІ Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. Р’ 1983 Рі. СЃРІСЏР·СЊ была установлена между Вашингтоном Рё Бостоном, хотя это Рё было связано СЃ РјРЅРѕРіРёРјРё трудностями. Рта система СЃРІСЏР·Рё работала СЃРѕ скоростью передачи 90 РњР±РёС‚/СЃ. Р’ ней использовалось РјРЅРѕРіРѕРјРѕРґРѕРІРѕРµ волокно РЅР° длине волны 825 РЅРј.
Между тем NTTC (японская телеграфная Рё телефонная компания) сумела вытягивать волокна СЃ потерями лишь 0,5 РґР‘/РєРј РЅР° длинах волн 1,3 Рё 1,5 РјРєРј, Р° Линкольновская лаборатория РІ MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного РґРёРѕРґР°, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРіРѕ непрерывно работать РІ диапазоне между 1,0 Рё 1,7 РјРєРј РїСЂРё комнатной температуре. Рспользование волокон СЃ малыми потерями РЅР° 1,3 РјРєРј позволило создать более совершенные системы. Были построены системы СЃ пропусканием 400 РњР±РёС‚/СЃ РІ РЇРїРѕРЅРёРё Рё 560 РњР±РёС‚/СЃ РІ Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. Р’ РЎРЁРђ было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая РІСЃРµ еще использует медный РїСЂРѕРІРѕРґ, является СЃРІСЏР·СЊ между РґРѕРјРѕРј Рё телефонной станцией. Рта последняя миля, как ее стали называть, также становится объектом волоконной СЃРІСЏР·Рё.
Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен РІ действие РІ 1858 Рі. Почти сто лет спустя, РІ 1956 Рі., был проложен первый телефонный кабель, получивший название РўРђРў-1. Р’ 1988 Рі. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей РЅР° оптических волокнах (РёС… стали называть РўРђРў-8). РћРЅРё работают РЅР° длине волны 1,3 РјРєРј Рё связывают Европу, Северную Америку Рё Восточную часть РўРёС…РѕРіРѕ океана. Р’ 1991 Рі. началось установление второго поколения волоконно-оптической СЃРІСЏР·Рё, РўРђРў-9, которая работает РЅР° 1,3 РјРєРј Рё связывает РЎРЁРђ Рё Канаду СЃ Великобританией, Францией Рё Рспанией. Другая линия работает между РЎРЁРђ Рё Канадой Рё Японией.