Эффективность любой линии связи (из меди или из стекла) определяется
пропускной способностью, затуханием передаваемой энергии и
экономичностью.
Пропускная способность линии — это наибольшая скорость передачи сигнала
через эту линию. Измеряют пропускную способность в битах в секунду (бит
— двоичная единица). Чтобы передать телефонный разговор, необходимо
послать 64 ООО двоичных импульсов в секунду (64 ООО бит/с). При этом
каждый единичный импульс тока или света не должен быть длиннее, чем 1/64
ООО с, чтобы не мешать последующим сигналам. Второй импульс может быть
послан через световод только тогда, когда закончится предыдущий.
Пропускная способность линии тем выше, чем короче импульсы. Однако, если
послать в световод короткий импульс, можно ли получить такой же импульс
на выходе? Оказывается, нет. Обычно входящие в световод лучи заключены в
некотором телесном угле. Поэтому сначала на выход световода приходят
лучи, распространяющиеся вдоль оси, затем наклонные лучи, так как их
путь был длиннее. Чем больше угол наклона лучей, тем больше их
запаздывание. В результате из очень узкого входного импульса на выходе
получается более широкий. Причем импульс тем шире, чем сильнее различие
между показателями преломления сердцевины и оболочки световода. Казалось
бы, достаточно приблизить показатели преломления, и вопрос будет решен:
импульсы станут короче, а пропускная способность возрастет. Но тогда в
световод пройдут только лучи, близкие к оси, в результате чего
уменьшится энергия посылаемого сигнала.
Пропускную способность линии можно увеличить, если вместо ступенчатого
взять градиентный световод. В нем возникает, на первый взгляд,
парадоксальная картина. Наклонные и осевые лучи, несмотря на
неодинаковые пути пробега, приходят к выходу одновременно. На самом деле
это объясняется очень просто. Особенность градиентного световода состоит
в том, что показатель преломления в нем убывает плавно от середины к
внешней стороне. Поэтому чем дальше отклоняются лучи от оси, тем больше
их скорость. Исчезает разница во времени пробега лучей, ширина импульса
не меняется.
Есть другой эффективный способ — это приблизить диаметр сердцевины
световода к длине волны излучения (до 5... 10 мкм). В этом случае
наклонные лучи не пропускаются и по световоду распространяются только
осевые. Этот способ сужения импульса особенно часто применяют в линиях
связи. Однако не следует забывать о сложности изготовления и стыковки
световодов со столь малым диаметром. Задачу можно упростить, если
посылать более длинноволновый световой сигнал. Это позволит получать
дешевые световоды с диаметром сердцевины до 20 мкм. Но разный наклон
лучей — не единственная причина расширения импульса. Как светодиод, так
и лазер генерируют семейство длин волн. Хотя ширина спектра излучения
полупроводникового лазера относительно узка, но и она составляет
несколько нанометров (до 2,5 нм), а у све-тодиода еще больше - 30...40
нм. Сердцевина световода преломляет излучение разных длин волн
неодинаково. Поэтому при одном и том же наклоне скорость прохождения
длинноволновых и коротковолновых лучей в световоде разная, что приводит
к расширению импульса и ограничивает пропускную способность световода.
Можно, конечно, сузить спектральный диапазон, но при этом снизится
выходная мощность излучения. Таким образом, с помощью светодиодов можно
передать меньше импульсов, чем с помощью лазера, поэтому их применяют в
системах местной связи, где требуются относительно малые скорости
передачи сигнала (до 2 Мбит/с). Если необходимо передать двоичные
сигналы со скоростью 30 Мбит/с и выше, то применяют лазер.
Другой важный параметр для линии связи - затухание энергии передаваемого
сигнала. На сегодняшний момент уменьшение потерь света является ключевой
проблемой техники оптической связи, поскольку эти потери определяют
расстояние, на которое можно передавать сигнал без усиления. Причинами
потерь являются два фактора: поглощение и рассеяние света в световоде.
Поглощение света вызвано всякого рода примесями, которые загрязняют
светопро-водящий материал. Поглощая световую энергию определенной длины
волны, они превращают ее в тепловую. Правда, для каждого материала можно
найти окна прозрачности, т. е. области спектра, в которых материал
меньше всего поглощает свет. Но и в этих областях уровень прозрачности
стекол оказывается недостаточным для современных линий связи. Поэтому
сейчас во всем мире ведутся интенсивные разработки сверхпрозрачных
стекол. Исключение составляют световоды из кварцевого стекла, чистота
которого превосходит все другие стекла. Эти световоды наиболее прозрачны
в спектральной области, в которой излучают полупроводниковые лазеры и
светодиоды (1,3... 1,5 мкм). Какой из источников лучше? Это зависит от
области применения. Лазер по выходной мощности превосходит светодиоды,
поэтому в линиях дальней связи он незаменим. В объектовых линиях дешевле
использовать светодиод.
В равной степени потери могут быть вызваны рассеянием света. Рассеяние
воз-
никает из-за неоднородности стекла в световоде, нарушения геометрии
световода при изгибах, в местах стыковки световодов, т. е. оно связано с
технологическими факторами. Отсюда вывод: необходимо совершенствовать
технологию изготовления и стыковки световодных кабелей.
И наконец, третий фактор - экономичность. В области потребительских
товаров покупатель иногда готов платить за интересную новинку только
потому, что она именно нова. Но в промышленности и народном хозяйстве
действуют другие законы. Новое должно доказать свои преимущества перед
испытанным старым, быть дешевле, иначе оно останется только хорошей
идеей.
Во всех отношениях световод уже сегодня превзошел электрический кабель.
Ослабление излучения в нем на километр длины меньше, а пропускная
способность больше, чем в линиях с медными проводниками; оптические
кабели тоньше и легче, чем медные той же пропускной способности. Но не
так благополучно выглядит еще экономический баланс. Стоимость элементов
линии связи остается пока еще высокой. Снижение ее будет зависеть от
усовершенствования существующей технологии, накопления производственного
опыта и объема изготовления. Растущее применение волоконно-оптических
линий связи в народном хозяйстве дает уверенность в том, что их
стоимость будет падать. Уже сейчас видны резервы экономии.
В технике дальней связи элементом, определяющим основную стоимость,
является оптический кабель. Поэтому напрашивается естественный вывод:
увеличить число передаваемых каналов по одному кабелю. Для этого в
световод одновременно вводят излучение от нескольких источников,
работающих на разных частотах. Каждый канал работает на своей частоте,
на приемном конце полученные сигналы разделяются по частотам. На
практике с успехом применяют также линии с временным разделением
каналов. Информация в каналах преобразуется в световые импульсы. Каждый
канал поочередно направляет свои импульсы в общий кабель. Поступая в
приемное устройство, эти сигналы в той же последовательности
разделяются.
Обычно в линиях дальней связи через определенные расстояния (5... 50
км), обусловленные затуханием кабеля, устанавливают вдоль оптической
линии усилители. В усилителях сигнал восстанавливается и усиливается.
Повышая прозрачность световодов и мощность источников излучения, можно
уменьшить число дорогостоящих соединителей и промежуточных усилителей. В
ближайшее время предполагается также снижение стоимости лазерных
излучателей, повышение их надежности и срока службы.
Объектовые линии дешевле, чем линии дальней связи, и не только потому,
что длина оптического кабеля в них меньше. В объектовых линиях
применяются более дешевые толстые световоды, соединители в них проще и
дешевле, число их меньше; как правило, отсутствуют промежуточные
усилители. А в качестве источников излучения применяются более дешевые
светодиоды.
Сегодня еще не решены все проблемы световодной техники. Необходимо
скорейшим образом решить их и тем самым обеспечить широкое внедрение
волоконно-оптических линий в народное хозяйство.
