Состояние и развитие оптоволоконной связи

Стремительное развитие оптоволоконной связи в настоящее время объясняется тем, что ресурсы меди и свинца в мировом балансе крайне ограничены, а кабельная промышленность потребляет до 50% меди и до 25% свинца общих ресурсов. Оптические кабели в отличие от широко применяемых электрических кабелей с медными проводниками не требуют дефицитных металлов и изготовляются, как правило, из стекла и полимеров.

Помимо экономии меди достоинствами оптических кабелей по сравнению с электрическими являются возможность передачи большого потока информации. Оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1.1 Терабит/с. Другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Так же для них свойственно малое ослабление сигнала и независимость его от частоты в широком диапазоне частот, высокая защищенность от внешних электромагнитных помех, малые габаритные размеры и масса (масса оптических кабелей в 10 раз меньше электрических), надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).

В настоящее время оптические кабели широко используются в отрасли связи, радиоэлектронике, медицине, машиностроении и др. Они применяются для устройства соединительных линий между АТС, между городом и пригородом, заменяя весьма металлоемкие кабели с медными жилами. Ведутся также работы по строительству междугородных оптических кабельных линий связи. Известно эффективное использование оптических кабелей в вычислительных комплексах подвижных объектов, а также в энергосистемах для телеуправления и связи.

Можно без преувеличения сказать, что приход оптоэлектронных систем и оптических кабелей связи на смену электрическим имеет такое же значение для науки и техники, какое в свое время имела замена вакуумных ламп транзисторными приборами.

Для передачи на расстояние различного рода информации люди издавна использовали звуковую и световую энергию. Для увеличения дальности передачи сообщений применялись цепочки переприемных сигнальных постов. Так, в начале XIX столетия действовала семафорная линия связи Петербург – Варшава протяженностью 1200 км. Через каждые 40 км на высоких опорах располагались установки, в которых осуществлялось повторение передаваемых световых сигналов. Передача по такой линии даже короткого сообщения требовала нескольких часов, зависела от состояния погоды (видимости) и не была защищена от помех и перехватов. С появлением радиосвязи оптические семафорные линии были заброшены.

Сегодня же мы являемся свидетелями возврата к использованию света для целей связи. Но делается это на совершенно новой основе с применением всех достижений современной науки и техники: квантовой физики, оптоэлектроники и радиотехники.

Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи яви-лось появление оптического квантового генератора – лазера. Слово «лазер» составлено из первых букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передаче по кабелям используются частоты – мегагерцы, а по волноводам – гигагерцы, то для лазерных систем используются видимый и инфракрасный спектры оптического диапазона волн (сотни тера-герц). Создателями лазера являются ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский ученый Таунс. Ими выполнены фундаментальные исследования в области оптоэлектроники и квантовой техники.

Несмотря на то, что с момента создания лазера прошло не так много времени, он получил применение в народном хозяйстве: в отраслях связи, радиоэлектроники, машиностроении, при сварке металлов, в медицине, атомной энергетике, локации, при проходке шахт, в электронно-вычислительных комплексах и т.д. Оптические системы нашли применение также в космической связи.

Быстрое внедрение лазера в технику обусловлено рядом его замечательных свойств. Лазер обладает когерентным излучением, т.е. согласованным во времени и в пространстве движением фотонов, и имеет узконаправленный луч. Световая интенсивность лазерного луча в точке может быть больше, чем интенсивность Солнца. Сравнивая обычный свет, создаваемый, например, лампочкой накаливания, с лазерным лучом, можно отметить, что в обоих случаях действует поток фотонов. Но в отличие от обычного света, основанного на тепловой природе возникновения и излучающего очень широкий непрерывный спектр частот, лазерный луч имеет электромагнитную основу и представляет собой монохроматический (одноволновый) луч.

Первые работы по освоению оптического диапазона волн для цепей связи относятся к началу 60-х годов. В качестве тракта передачи использовались приземные слои атмосферы и световоды с периодической коррекцией расходимости и на-правления луча с помощью системы линз и зеркал. Однако открытые (атмосферные) линии подвергались воздействиям метеорологических условий и не обеспечивали необходимой надежности связи. Световоды с дискретной коррекцией оказались весьма дорогостоящими, требовали тщательной юстировки линз и сложных устройств автоматического управления лучом, поэтому практического применения на сетях связи не нашли.

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями сигнала. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта оптических кабельных систем передачи (генераторов, фотоприемников, разъемных и неразъемных соединителей, ответвителей и других элементов. И оптические волокна послужили основой разработки и создания оптических систем связи высокой эффективности, обеспечивающих возможность передачи большого потока информации на любые расстояния.

Но несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Например стоимость интерфейсного оборудования. При создании оптической линии связи также требуются высоконадежные специализированное коммутационное пассивное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители, аттенюаторы. Так следует помнить про высокие затраты на монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

Но скорее всего многие из недостатков вероятнее всего будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.