В середине 70-х годов XX века фирма Corning освоила производство волоконных световодов с низким затуханием, появились надежные лазеры, и с этого времени началось практическое использование ВОЛС (Волоконно-оптическе линии связи ), стремительное развитие волоконных систем. ВОЛС заняли ведущую позицию в системах передачи информации, стали важнейшим звеном в информационной инфраструктуре современного общества.
История оптической связи в датах
- 1790 г. — оптический телеграф во Франции;
- 1860 г. — демонстрация А.Беллом модуляции оптического сигнала зеркалом;
- 1881 г.— передача речи при помощи светового луча;
- 1970 г. — Ж. И. Алферов разработал полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре;
- 1970-1973 гг. — Corning Glass Company осваивает производство оптического волокна с затуханием меньше 20 дБ/км;
- 1973 г. — получены лазерные диоды со сроком службы 1000 часов;
- 1974 г. — разработано градиентное многомодовое волокно;
- 1975 г. — первый коммерческий полупроводниковый лазер, работающий при комнатной температуре;
- 1976 г. — срок службы лазеров увеличен до 100000 часов (10 лет);
- 1976 г. — открыто третье окно в спектральном диапазоне работы ВОЛС (l = 1,55 мкм);
- 1977 г. — срок службы лазеров увеличен до 1 млн. часов (100 лет);
- 1978 г. — тестирование ВОЛС со скоростью передачи информации 32 Мбит/с, длина участка 53 км и рабочая длина волны l = 1,3 мкм;
- 1978 г. — получено затухание в оптическом волокне 0,2 дБ/км (l = 1,55 мкм);
- 1980 г. — первая коммерческая ВОЛС (между Бостоном и Ричмондом — США) , три рабочих длины волны, градиентное многомодовое волокно, скорость передачи информации 45 Мбит/с;
- 1980 г. — передача по волоконной линии видеосигнала с Зимней Олимпиады в Лейк Плэсиде (градиентное многомодовое волокно, l = 0,85 мкм);
- 1981 г. — получена скорость передачи сигнала 140 Мбит/с в одномодовом волокне длиной 49 км, l = 1,3 мкм. Начало работ с одномодовыми волокнами со смещенной дисперсией;
- 1982 г. — скорость передачи в одномодовом волокне достигла 400 Мбит/с (l = 1,3 мкм);
- 1987 г. — разработан эрбиевый оптический усилитель. Начало работ по ВОЛС со спектральным уплотнением;
- 1988 г. — первая трансокеанская ВОЛС — ТАТ-8 (одномодовые волокна, l = 1,3 мкм);
- 1993 г. — начало практического использования оптических усилителей;
- 1995 г. — начало практического использования ВОЛС со спектральным уплотнением;
- 1997 г. — разработка оптических мультиплексеров адресного ввода-вывода;
- 1998-2000 гг. — создание систем плотного (DWDM) и сверхплотного (HDWDM) спектрального уплотнения;
- 1999-2000 гг. — создание оптических переключателей спектральных каналов;
- 2000 г. — использование систем „грубого“ спектрального уплотнения (CWDM);
- 2000-2002 гг. — DWDM-системы с пропускной способностью 1,6 Тбит/с.
В начале пути на ВОЛС в первую очередь возлагались надежды по решению проблемы острой нехватки полосы пропускания каналов передачи информации. В начале эры информатизации, информационные потоки бурно нарастали, а увеличение полосы пропускания систем связи в основном проходило за счет роста числа линий передачи и явным образом отставало от потребностей.
Оптический канал передачи должен был обеспечить полосу передачи более 1012 Гц, что давало выигрыш по сравнению с существующими системами передачи не менее четырех порядков. За эти годы волоконные системы смогли реально приблизиться к предельным возможностям волокна как канала передачи информации, при этом впервые решив проблему дефицита пропускной способности каналов передачи информации: в настоящее время актуальной является задача эффективного наполнения трафиком магистральных ВОЛС.
Этапы развития ВОЛС
В своем развитии ВОЛС прошли несколько этапов, решались фундаментальные проблемы, интенсивно развивалась наука и технология.
Большая часть проблем и одновременно основные достижения и возможности ВОЛС связаны с двумя элементами систем: волоконными световодами и лазерами. В развитии оптических систем разработчики стремились реализовать два принципа: „быстрее “ и „дальше “.
1 этап
В середине 70-х годов XX века появились полупроводниковые лазеры и волоконные световоды с небольшим затуханием. Первые лазеры для ВОЛС имели длину волны излучения 0,85 мкм (первое окно прозрачности волокна ) и невысокую эффективность; волоконные световоды были многомодовыми и имели затухание в несколько дБ/км. Поэтому ВОЛС хотя и показали преимущества перед системами на медных проводах, но имели скорости и расстояния передачи далекими от ожидаемых. Увеличению скорости передачи в первых ВОЛС мешала временная дисперсия прохождения оптического сигнала по волоконному тракту.
Первые волоконные световоды (многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления) из-за большой межмодовой дисперсии имели полосу пропускания не более 20 МГц х км. Эта проблема была достаточно быстро решена разработкой многомодовых волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления, которые обеспечили увеличение полосы пропускания до 160 МГц х км.
2 этап
Следующим этапом развития ВОЛС стало увеличение дальности передачи информации. Для этого было необходимо снизить величину затухания оптического сигнала в волоконном тракте. Разработка приемопередающей аппаратуры, работающей во втором (1,3 мкм) спектральном диапазоне (окне) , позволила снизить затухание в многомодовых волокнах с 3 дБ/км (0,85 мкм) до 1 дБ/км (1,3 мкм). Одновременно у многомодовых волокон повысилась и полоса пропускания до 500 МГц х км.
3 этап
Дальнейшее развитие ВОЛС в направлении „быстрее и дальше“ связано с одномодовым этапом истории ВОЛС . Одномодовые волокна позволили значительно повысить скорость передачи информации за счет отсутствия межмодовой дисперсии, а переход в третье спектральное окно (1,55 мкм) позволил снизить потери в одномодовых волокнах с 0,35 дБ/км (1,31 мкм) до 0,2 дБ/км (1,55 мкм).
Открывшиеся возможности по наращиванию скорости и дальности передачи информации привели к значительному прогрессу цифровых систем передачи информации ( сети синхронной цифровой иерархии — SDH ). Потребность в развитии таких систем была очень высокой, так как объем передаваемого трафика непрерывно увеличивался, и это стимулировало работы по дальнейшему совершенствованию ВОЛС. Было показано, что увеличению скорости и дальности передачи информации в одномодовых системах препятствует хроматическая дисперсия в волокнах. Эта проблема была успешно решена при разработке оптических волокон с нулевой дисперсией в области длин волн 1,31 мкм (волокна типа G.652) и смещенной в области длин волн 1,55 мкм нулевой дисперсией (волокна типа G.653). Для увеличения дальности передачи информации стали использоваться регенераторы сигнала, которые преобразовывали оптический сигнал в электрический, восстанавливали его форму, а затем формировали оптический сигнал для дальнейшего прохождения по волоконному тракту.
4 этап
Следующий этап — использование оптических усилителей (ОУ), которые позволили эффективно увеличить дальность передачи. ВОЛС с оптическими усилителями и волокном G.653 обеспечивали передачу информации со скоростями до 40 Гбит/с на расстояние более ста километров.
Разработанные ОУ открыли важнейший этап в развитии волоконно-оптической связи — появились системы со спектральным уплотнением. В них используется такое свойство волоконных систем, как возможность независимой передачи информации на разных длинах волн, в разных каналах. Первые ВОЛС со спектральным уплотнением работали в разных спектральных окнах (1,31 мкм и 1,55 мкм). Но системы со спектральным уплотнением наиболее эффективны в третьем спектральном окне (1,55 мкм) , так как в этом случае один ОУ усиливает все информационные каналы, расположенные в окне.
Реализация уникальных возможностей таких систем (плотного спектрального уплотнения — DWDM и высокоплотного спектрального уплотнения — HDWDM ), в свою очередь, потребовала решения еще одного ряда фундаментальных задач.
Во-первых , это проблема четырехволнового смешения . Наиболее эффективный путь построения ВОЛC со спектральным уплотнением — увеличение числа каналов. При увеличении дальности передачи приходится усиливать оптические сигналы в каждом канале, и при большой суммарной мощности в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. Для DWDM-систем наиболее существенным является эффект четырехволнового смешения, когда в спектре сигнала появляются нежелательные составляющие, перекрестные помехи. При спектральном способе дешифрации оптических сигналов это может привести к значительным ошибкам в передаче информации. Четырехволновое смешение наиболее сильно сказывается в случае равенства скоростей распространения оптических сигналов в каналах. По этой причине оптические волокна со смещенной нулевой дисперсией (G.653) не используются в DWDM-системах, а для уменьшения влияния четырехволнового смешения были разработаны волокна со смещенной ненулевой дисперсией (G.655) и технология компенсации хроматической дисперсии .
Во-вторых , кроме специальных оптических волокон для DWDM-систем были разработаны высокостабильные лазеры с узкой спектральной линией, а также спектральные мультиплексоры/демультиплексоры . Этот цикл работ потребовал значительного продвижения в физике и технологии лазеров и интегрально-оптических схем.
Дальнейшее развитие ВОЛС шло как по пути увеличения числа сравнительно „низкоскоростных“ (несколько Гбит/с) каналов в DWDM- и HDWDM-системах, так и по пути дальнейшего увеличения скорости передачи информации в информационном оптическом канале. В настоящее время серийно выпускаются системы со скоростью передачи 40 Гбит/с, ведутся эксперименты на 100 Гбит/с. Однако уже на скоростях более 10 Гбит/с появляются ограничения, связанные еще с одним видом временной дисперсии — поляризационно-модовой дисперсией (PMD) . Решение этой проблемы потребовало проведения фундаментальных исследований и значительного продвижения в области технологии изготовления волоконных световодов и оптических кабелей, монтажа линии и контроля параметров тракта.
5 этап
В последнее время повышенное внимание уделяется не только высокоскоростным магистральным ВОЛС, но и локальным системам. Массовые локальные волоконно-оптические системы передачи должны обеспечить загруженность региональных и магистральных ВОЛС, повысить эффективность волоконно-оптических сетей связи. При этом целесообразно использовать многомодовые волоконные световоды. Появление новых высокоэффективных лазеров для локальных сетей позволяет значительно повысить скорость и дальность передачи информации в ВОЛС на основе многомодовых волокон. Однако при этом появляется проблема „центрального провала“ в многомодовых волокнах, связанная с несовершенством технологии изготовления заготовок для этих световодов. Значительные отклонения профиля показателя преломления от оптимального в центре волокна вызывали резкое увеличение дисперсии в случае использования современных лазеров. Эта проблема многомодового волокна была решена, что открыло новые возможности в развитии локальных ВОЛС и волоконно-оптических систем в целом.
Решение фундаментальных проблем было подкреплено развитием сопутствующих технологий, которые и обеспечили продвижение ВОЛС к потребителям по пути „быстрее-дальше“. Наиболее существенные успехи наблюдались в технологии производства волоконных световодов и кабелей. Промышленность производит все необходимые виды оптических волокон и кабелей, обеспечивающие самые высокие параметры ВОЛС. При этом рост производства оптических волокон беспрецедентен: с 6,9 млн. км в 1990 г. до 76,6 млн. км в 2000 г. — в 11 раз. Современные технологии монтажа и измерения параметров волоконного тракта полностью соответствуют высокому уровню современных ВОЛС. Достаточно сказать, что сварочные аппараты, например, FSM-40S, обеспечивают эффективный монтаж волоконного тракта с потерями в месте сварки менее 0,02 дБ. Благодаря этому, а также развитию высоких технологий производства оптических передатчиков и приемников, сетевых технологий и технологий спектрального уплотнения и обеспечены высочайшие темпы развития ВОЛС.
Сферы применения оптоволокна
С того момента, как было изобретено оптоволокно, оно сразу нашло достаточно широкое применение. Конечно, наибольшее распространение оно получило в организации волоконно-оптических сетей. К тому же оно применяется для создания датчиков, освещения, а также в медицине и т. д.
Волоконно-оптическая связь
Основным применением подобных волокон является организация среды для передачи данных в телекоммуникационных сетях. Также они используются для создания сетей с различными уровнями. Сфера их применения настолько широка, что с их помощью можно создать как простую домашнюю сеть, используя трансиверы, так и единый канал передачи информации для целой страны, благодаря трансиверу MGBLX1 и многим другим.
Такая популярность оптического волокна объясняется его высокой защитой от проникновений извне, низким уровнем затухания сигнала, возможностью передачи данных на большие расстояния со сверхвысокой скоростью. Именно это позволило использовать оптоволокно в качестве ресурса для организации межконтинентального канала внешней связи. Этим и объясняется востребованность оптоволоконного кабеля.
Показатели скорости передачи данных в оптоволоконных сетях могут быть очень велики. Например, были разработаны оптоволоконные сети, способные транслировать информацию со скоростью до 1 Тбит/с. Они состоят из сотен связанных и уплотненных каналов. Их стоимость велика, однако при использовании в больших компаниях с множеством клиентов по всему миру их покупка оказывается весьма рентабельной.
Волоконно-оптический датчик
Такие датчики применяются для измерения напряжения, температуры, давления и ряда других параметров. Они популярны благодаря своей простоте и малым затратам энергии.
Оптоволокно используется в гидрофонах, в сейсмических и гидролокационных приборах. Несколько датчиков, установленных на один кабель, могут организовывать сложные системы. Такие приборы для измерения давления и температуры применяются для измерений в нефтяных скважинах, где глубина доходит до тысяч метров. Это связано с тем, что давление в толще земли значительно увеличивается, что заставляет полупроводниковые датчики выходить из строя, в то время как оптоволоконные устройства хорошо функционируют в таких условиях.
Оптоволоконные датчики также применяются в аппаратах для дуговой защиты. Их главными преимуществами являются высокое быстродействие, невосприимчивость к электромагнитным воздействиям, гибкость, легкость монтажа и диэлектрические свойства.
Другие применения
Оптоволокно нередко используется для освещения. К тому же оно широко применяется в медицине и иных сферах жизнедеятельности. Особенно актуально это при работах в затемненных, труднодоступных зонах, где для эффективной работы необходим яркий свет.
Также оптоволокно можно увидеть в наружной рекламе, оно привлекает внимание людей световыми эффектами.