Оптические линии связи: сегодня и завтра

Оптическая связь, использующая свет как средство передачи различной информации, имеет ряд отличительных особенностей, не свойственных традиционным средствам связи. Поэтому в различных странах мира научные исследования и разработки в этой области из года в год становятся все более интенсивными. Наша редакция обратилась к разработчику первых в ОИЯИ волоконно-оптических средств передачи информации (ВОСПИ) старшему научному сотруднику Лаборатории высоких энергий Юрию Ивановичу РОМАНОВУ с просьбой рассказать об истории развития этой актуальной области высоких технологий и их приложении в научных исследованиях.

Волоконная оптика знаменует новую эру в развитии современной физики, электроники, оптики, в развитии тех дисциплин, которые так или иначе были связаны с передачей и переработкой больших объемов, или, как сейчас принято говорить, массивов информации. Считается, что телефонные переговоры и передача телепрограмм, осуществляемые по кабелю, несут большой объем информации. Но с точки зрения задач ближайшего будущего количество информации, которое способны передавать современные коммуникационные системы, чрезвычайно мало. В этой ситуации использование оптических способов в системах связи весьма перспективно. Так как частота световых колебаний на несколько порядков выше частоты радиоволн, соответственно во столько же раз увеличивается и информационная пропускная способность волоконно-оптического кабеля по сравнению с обычным высокочастотным. Ожидается, что по одному волокну толщиной с человеческий волос можно будет передавать одновременно информацию, идентичную нескольким тысячам телефонных или десяткам телевизионных каналов.

Помимо того, что волоконный кабель лучше приспособлен к работе в условиях мощных электромагнитных помех (сигнал, идущий по волокну, попросту не реагирует на эти помехи), он гораздо легче, а главное – для его изготовления не требуется дефицитная медь. Преимущества оптического кабеля довольно ощутимы при реконструкции коммуникационных систем в крупных городах. Волоконный кабель, во-первых, тоньше, во-вторых, значительно легче – вес его практически определяется весом пластиковой защитной оболочки. Поэтому-то его и проще провести через коммуникационные туннели, трубы, труднодоступные изгибы и т. д.

Динамику развития работ в области волоконно-оптических систем передачи информации можно проследить по опубликованным в течение нескольких лет сообщениям. В 1966 году один из ведущих специалистов США в области волоконной оптики К. С. Као впервые высказал предположение о возможности создания оптических волокон с низким затуханием для целей связи. В то время типичные значения коэффициента затухания составляли сотни децибел на километр. В 1970 году американская фирма “Корнинг гласс” объявила о создании кварцевых волокон с затуханием порядка 20 дБ/км. В 1973 году той же фирмой была создана первая ВОСПИ для передачи данных со скоростью 5 миллионов знаков в секунду! К 1979 году уже более 100 систем были поставлены на испытания. В настоящее время трудно назвать крупную фирму, занятую разработками в области радиоэлектроники и связи, которая не проявляла бы активности в развитии средств волоконной оптики.

Основные элементы ВОСПИ – это источник излучения, волоконно-оптические кабели (оптические волноводы или световоды), приемники излучения. Источник излучения создает энергию в области видимого света, а также в инфракрасной или ультрафиолетовой частях спектра электромагнитных волн. Созданная источником оптическая волна модулируется передаваемым сообщением и направляется по световоду к получателю, в качестве которого на приемном конце используется фотодетектор (фотодиод).

Источником излучения может быть светодиод, суперлюминесцентный светодиод или полупроводниковый лазер. Довольно часто применяются относительно дешевые суперлюминесцентные светодиоды, излучение которых некогерентно, но имеет относительно узкий спектр. Для скоростных и протяженных ВОСПИ наиболее перспективно применение полупроводниковых лазеров, создающих когерентное (то есть с очень узким спектром) излучение.

В качестве световодов в настоящее время используется кварцевое волокно, состоящее из стеклянного сердечника, окруженного стеклянной оболочкой, диаметром порядка 100 мкм, причем оптическая плотность (то есть показатель преломления света) оболочки меньше, чем сердечника, вследствие чего световой луч испытывает полное внутреннее отражение от оболочки и проходит вдоль сердечника. Поверх оболочки положен защитный непрозрачный слой, защищающий луч в сердечнике от внешних помех и не пропускающий его во внешнюю среду.

Потери энергии луча в световоде происходят в основном за счет примесей в стекле, его неоднородности по параметрам и геометрии. Однако уже сейчас созданы световоды с потерями менее 0,5 дБ/км. Для того, чтобы наглядно представить себе, что такое современное оптическое волокно, достаточно сказать, что потери при прохождении света на 1 км длины такого волокна меньше, чем при прохождении света через чисто вымытое оконное стекло.

Стекло и кварц – материалы, используемые для изготовления световодов, - как-будто идеальны. Но это не так. На повестке дня – получение сверхчистых оптических материалов. Но пока их отсутствие не позволяет использовать все преимущества волоконной оптики. Нетрудно понять, какого высокого уровня технологии нужно достичь, чтобы изготавливать такие сверхчистые материалы для получения оптических волокон. Успех одной из крупнейших японских фирм, работающей в области волоконной оптики, - “Сумитомо электрик” – базируется на том, что технология получения сверхчистых материалов в этой стране, благодаря опыту производства полупроводниковой электроники, развита значительно выше, чем в США и европейских странах. В Японии сейчас изготавливают в больших количествах оптические волокна, предназначенные для высокоскоростной передачи информации в цифровом виде и для аналоговой передачи видеоинформации на расстояния порядка 80 – 120 км без использования ретрансляторов.

За последние 20 лет в Российской Федерации проведено значительное количество разработок по созданию ВОСПИ. Большинство из них реализовано или находится в опытной эксплуатации. Развитие высокоскоростных ВОСПИ органически связано с концепциями постепенного внедрения цифровых сетей и заменой кабелей с металлическими жилами на волоконно-оптические. При этом широко реализуются два основных способа уплотнения информации – временной и пространственный. При проектировании линий связи большой протяженности разработчики ориентируются на величину скорости передачи и число оптических волокон в кабеле выше тех, которые обеспечивают проектную пропускную способность линии. Это позволит значительно повысить надежность эксплуатации ВОСПИ и обеспечит резерв для возможного увеличения пропускной способности системы с минимальными капитальными затратами.

Весьма заметной стала тенденция создания совместных российско-зарубежных фирм как по производству систем и элементов ВОСПИ, так и по организации, строительству и предоставлению услуг связи. Что касается отечественных предприятий, то наблюдается свертывание работ по созданию отечественных ВОСПИ, участие же в совместных фирмах, производящих системы передачи, сводится к производству каркасов и корпусов для оборудования этих систем. Весьма заметно также сокращение числа российских предприятий, производящих элементы ВОСПИ, оптические кабели, полупроводниковые лазеры и фотоприемные устройства. Те элементы, что пока еще производятся, например, полупроводниковые лазеры, по некоторым параметрам, таким, как пороговый ток накачки, деградировали до уровня десятилетней давности.

В области ядерной физики и физики высоких энергий ВОСПИ находят применение на ускорителях заряженных частиц, где данные измерений и команды управления технологическими системами ионного источника, расположенного на высоковольтном терминале, необходимо передавать в условиях интенсивных электромагнитных помех, сопровождающих работу форинжектора линейного ускорителя, систем питания ионного источника и радиационного воздействия.

Впервые в ОИЯИ ВОСПИ для этих целей были разработаны и внедрены в 1981 году в Лаборатории высоких энергий автором данной статьи. Появление “проводных” оптоэлектронных систем связи было вызвано необходимостью разработки надежных средств управления и контроля криогенных источников типа КРИОН, ПОЛЯРИС и других источников с новыми физико-техническими параметрами. Актуальность этой тематики обусловлена непрерывным усложнением технологических систем источников, увеличением количества сервисной аппаратуры и каналов контроля и регистрации сигналов от детекторов пучка. Как показала длительная эксплуатация оборудования этих систем на основе ВОСПИ, аппаратура обеспечила устойчивую и безотказную работу ионных источников. В настоящее время ВОСПИ являются перспективным и, пожалуй, единственным направлением в создании скоростных и высоконадежных каналов связи на ускорителях заряженных частиц. Оптоэлектронные каналы обусловили качественный скачок в технике передачи информации на синхрофазотроне и заменившем его современном сверхпроводящем ускорителе мирового класса - нуклотроне.

Создание и внедрение систем ВОСПИ на высоковольтных ускорителях решило крупную техническую проблему, позволило обеспечить надежную работу ускорительного комплекса ЛВЭ ОИЯИ. Эти разработки также могут быть использованы как для любых ускорителей на сверхвысокие энергии, так и для термоядерных установок.

На фото Н. ПЕЧЕНОВА: криогенный ионизатор КРИОН-С на форинжекторе ЛУ-20, с системами управления и контроля на основе волоконных световодов.