Міністерство Шляхів Сполучення
Московський Державний Університет
Шляхів Сполучення
(МІІТ)
РЕФЕРАТ
Волоконно Оптичні
Лінії Зв'язку
Викладач: Никитенко В. А.
Студент: Долгачев И. Н.
Група: ЕОМ-111
Москва 1996 г.
ЗМІСТ
Глава перша
СВІТЛО Перенос інформації
Глава друга
Від спектру до когерентності
2.1 Що ТАКЕ СВІТЛО?
2.2 КОЛІР, ДОВЖИНА ХВИЛІ, ЧАСТОТА - три характерні параметрами світла
2.3 спектра джерел СВІТЛА
2.4 ПРИРОДНИЙ СВІТЛО У дослідах з Інтерференція
Глава третя
ТЕХНІКА Випереджає ПРИРОДУ
3.1 Як утворюється некогерентного СВІТЛО
3.2 ЛАЗЕР ЯК ДЖЕРЕЛО СВІТОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
3.3 ВИСОКА СТУПІНЬ Когерентність ВИМАГАЄ ВИТРАТ
3.4 напівпровідниковий лазер, ПРИЗНАЧЕНИЙ ДЛЯ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ
Глава четверта
УТОПІЯ І РЕАЛЬНІСТЬ
4.1 фантастичні можливості
4.2 Модуляція інтенсивність випромінювання
4.3 Як ПЕРЕДАВ СВІТЛО?
4.4 ПОШИРЕННЯ СВІТЛА ПРИ повне відображення
Глава п'ята
Світловод - ПОСЕРЕДНИК між передавачем і приймачем
5.1 Ослаблення ОЗНАЧАЄ ВТРАТУ СВІТЛОВИЙ ЕНЕРГІЇ
5.2 Різниця у часі ПРОБІГУ ОБМЕЖУЄ
пропускної здатності лінії ЗВ'ЯЗКУ
5.3 ПРОПУСКНОЇ ЗДАТНІСТЬ волоконних світловодів
5.4 оптичні кабелі, ЇХ КОНСТРУКЦІЇ І ВЛАСТИВОСТІ
Глава шоста
ДЖЕРЕЛА СВІТЛА - світловипромінюючих діодів І ЛАЗЕР
6.1 ЩО ОЗНАЧАЄ ІМПУЛЬСНИЙ РЕЖИМ?
6.2 ТИП ДЖЕРЕЛА ВИЗНАЧАЄ ПОТУЖНІСТЬ
6.3 ПРОБЛЕМА ВИВЕДЕННЯ СВІТЛОВИЙ ЕНЕРГІЇ
6.4 ТЕРМІН СЛУЖБИ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА
6.5 ЛАЗЕР ЧИ світловипромінюючих діодів?
Глава сьома
СВІТОВИЙ СИГНАЛ на приймальному кінці ЛІНІЇ
7.1 НЕОБХІДНІСТЬ перетворення світла в електричний струм
7.2 фотодіоди ВИКОРИСТОВУЮТЬ ВНУТРІШНІЙ Фотоефект
7.4 Якої довжини МОЖЕ БУТИ ОПТИЧНА ЛІНІЯ ПЕРЕДАЧІ?
Глава восьма
Багатоцільовий абонентська мережа
Глава перша
СВІТЛО Перенос інформації
У людини є п'ять органів чуття, але один з них особливо важливий
- Це зір. Очима людина сприймає більшу частину інформації продовколишньому світі в 100 разів більше, ніж за допомогою слуху, не кажучи вжепро дотик, нюх і смак.
Далі чоловік помітив "сторонній джерело світла" - сонце. Вінвикористовував вогонь, а потім різні види штучних світлових джерелдля подачі сигналів. Тепер в руках людини був як світловий джерело, такі процес модуляції світла. Він фактично побудував те, що сьогодні миназиваємо оптичною лінією зв'язку або оптичною системою зв'язку, що включаєпередавач (джерело), модулятор, оптичну кабельну лінію та приймає
(око). Визначивши як модуляції перетворення механічного сигналув оптичний, наприклад відкриття і закриття джерела світла, ми можемоспостерігати в приймачі зворотний процес - демодуляцію: перетворенняоптичного сигналу в сигнал іншого роду для подальшої обробки вприймачі.
Така обробка може являти собою, наприклад, перетвореннясвітлового образу в оці в послідовність електричних імпульсівнервової системи людини. Головний мозок включається в процес обробки якостання ланка ланцюга.
Іншим, дуже важливим параметром, що використовуються при передачі повідомлень,є швидкість модуляції. Око в цьому відношенні має обмеження. Віндобре пристосований до сприйняття та аналізу складних картин навколишньогосвіту, але не може стежити за простими коливаннями яскравості, коли вонислідують швидше 16 раз в секунду.
Використовують як світлових приймачів технічні пристрої --фотоелементи або фотодіоди.
1
4
2
3
Просте світлове переговорний пристрій:
1-мікрофон; 2,3-підсилювачі; 4-телефон
Глава друга
Від спектру до когерентності
2.1 Що ТАКЕ СВІТЛО?
Сьогодні знання природи світла поглибилося незначно. Фізики зійшлисятільки в думці про те, що світло поєднує в собі обидві властивості:корпускулярну природу і типові властивості хвильового процесу, якіпредставляють зовнішні ознаки однієї і тієї ж фізичної реальності.
2.2 КОЛІР, ДОВЖИНА ХВИЛІ, ЧАСТОТА - три характерні параметрами світла
Важливим параметром світла є його довжина хвилі. Під циммається на увазі відстань між двома позитивними чи негативнимимаксимумами послідовності коливань.
Довжина хвилі коливального процесу безпосередньо пов'язана з йогочастотою.
абоде - довжина хвилі; - частота, 1ілі герц (скорочено Гц).
2.3 спектра джерел СВІТЛА
Щоб зрозуміти відмінності джерел світла, які застосовуються в якостіпередавачів в пристроях оптичної техніки зв'язку, зупинимося першвсього на властивості звичайних джерел світла.
У звичайній лампі розжарювання не один, а величезна кількість різнихдовжин хвиль, причому можна вказати лише наближено крайні значення областідовжин хвиль. Усередині цієї області лежить основна частка енергії випромінювання. Довжинихвиль за межами цієї області вивчаються слабо, тобто є довжиною хвильВсередині області випромінювання (яка в лампірозжарювання тягнеться приблизно від видимої жовтої області, таневидимої інфрачервоної) окремі довжини хвиль розташовані так, що вони нерозрізняються вимірювальними приладами. У цьому випадку говорять про безперервнеспектрі випромінюється світла. Який, у свою чергу може стати спектромпоглинання, якщо вирізати ділянки довжин хвиль з безперервного спектрувипромінювання.
2.4 ПРИРОДНИЙ СВІТЛО У дослідах з Інтерференція
Для всіх хвильових процесів найбільш значно і характерне явищеінтерференції. Коли накладаються два хвильових фронту з однаковою фазою,це означає, що максимуми коливань обох процесів точно збігаються і обидвапроцесу складаються і посилюються. Однак якщо між обома процесамиє різниця фаз або розходження по відстані точно на половину довжинихвилі, тобто збігається максимум одного коливання з мінімумом іншого і обидвамають однакову потужність, то процеси гасять один одного.
Властивість природних джерел світла, які ніколи між собою неінтерферують, так як їх фазові стану постійно зазнаютьвипадкові і швидкі коливання, називається некогерентного. Хоча світловіпромені, як і радіохвилі радіопередавача, є електромагнітнимивисокою частотою, вони відрізняються від радіохвиль саме властивістюнекогерентного.
радіопередавачі генерують когерентне випромінювання. Положення фази їхколивань протягом тривалого часу настільки постійно, що приймальніпристрої використовують цю властивість і витягують з нього користь. Без властивостікогерентності не могли б функціонувати потужні електричні системизв'язку.
Глава третя
ТЕХНІКА Випереджає ПРИРОДУ
3.1 Як утворюється некогерентного СВІТЛО
Одиночні атоми випромінюють світлові імпульси спонтанно і несинхронно, т.тобто незалежно один від одного і тому в цілому некогерентного.
Звернемося до атомної моделі Бора, прокласти нові шляхи в розвиткуфізики і спонукала вчених до нових досліджень природи світловоговипромінювання. Вихідним пунктом для цього був спектральний аналіз газів. Угазовій трубці з двома упаяними на кінцях електродами спостерігалосясвітіння, коли до цих електродів прикладалося напругу. На екраніаналізатора спектра спостерігалося безліч дискретних ліній на певнихвідстанях, тобто при певних довжинах хвиль. Розташування цих лінійзалежало від складу газу, яким була наповнена трубка.
Швейцарський математик Бальмером в 1885 р. виявив, що частотивимірюваних спектральних ліній описуються наступним простим рівнянням:
де n, m - цілі числа; R - константа, яка не залежить від складу газу,
Гц
Через 26 років після відкриття Бальмером Нільс Бор встановивфундаментальну теоретичну зв'язок між формулою Бальмером і елементарнимквантом випромінювання. Кількісне значення кванта випромінювання булознайдено Максом Планком в 1900 р. Квант являє собою величину, щоінтерпретує енергію світлового випромінювання як ціле кратне певниммінімально можливим порцій енергії hf, де f - частота енергії випромінювання.
З раніше наведених міркувань випливає знаменита атомна модель Бора.
Навколо важкого позитивного ядра на певних орбітах обертаютьсялегені, негативно заряджені елементарні частинки - електрони. Уводню - елементу з найбільш простим будовою атома - є тількиодин електрон, який нормально обертається на найближчій до ядра орбіті.
Якщо до атому водню підвести зовнішню енергію, то електрон може бутипіднято на наступну, більш високу орбіту. Радіуси орбіт відносяться згідно
Бору як квадрати цілих чисел, тобто як 1: 4: 8 і т. д. При цьому длякожного стрибка між двома орбітами потрібна енергія, точновідповідна кванта Планка, тоді початкова орбіта Бора залишається безелектрона. Однак ці більш віддалені від ядра орбіти не є дляелектрона стабільними. Він може перебувати там короткий час і потімповертається на початкову орбіту - прямо або "по сходинках". Іподібно до того як електрон забирає енергію, щоб потрапити на більш високуорбіту, він віддає енергію при поверненні на стабільну орбіту, при цьомутільки цілочисельними порціями, які зафіксовані стабільними орбітами
(які відповідають певним енергетичним рівнів) в моделі атома.
Звільнилася енергія згідно рівняння Планка виявляється як випромінюванняпевних частот.
3.2 ЛАЗЕР ЯК ДЖЕРЕЛО СВІТОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
молекулами і атомним комплексам (кристалів) властиві принциповонезмінні властивості, але не настільки прості, як це представлено у прикладі зпоодиноким атомом водню. Перш за все відмінності проявляються у впливісусідніх атомів. Тому дискретні енергетичні стани, яківипливають з наявності вищеописаних електронних орбіт, як правило,розмиваються. У зв'язку з цим з'являються певні енергетичні області
(енергетичні зони). Має також істотне значення, що окреміпоодинокі переходи (з одного енергетичного рівня на інший) більш -менш "заборонені", тобто вони не повинні мати місця (ці заборони требарозуміти не зовсім буквально).
Як приклад можна було б назвати схему енергетичних рівнівіонів тривалентного хрому, які грають головну роль в одному з першихекспериментальних зразків лазера - в рубінового лазера.
У зв'язку з цим відзначимо два таких енергетичних рівня в атомі хрому:основний рівень і стан. Перехід з рівня наосновний, строго кажучи, заборонено, тобто електрон на рівні мігб бути стійким. Практично, однак, цього не відбувається; що знаходитьсяна рівні електрон може утримуватися в цьому стані приблизнодо 0,01 с. [В порівнянні з тривалістю перебування в інших нестабільнихстанах це - тривалий час.] Такий стан називаєтьсяметастабільні, і це явище особливо важливо в роботі лазера: він надаєметастабільній станом властивості накопичувача енергії.
Якщо стержневідний рубіновий кристал з додаванням іонів хромуопромінити інтенсивним зеленим світлом, то відбувається наступне. Перш за всев результаті підведеної світлової енергії електрони з основних рівнів
переносяться в енергетичну зону (не прямо, а черезнестійку енергетичну зону, але це в даному випадкунесуттєво). Атом за рахунок цієї зовнішньої енергії тепер збуджений
"Накачаний"), більше того, сукупність атомів досягла так званоїінверсії заселеність (електронами) енергетичних зон. Нижняенергетична зона, досить швидко населена, в даному випадку майже порожня,навпаки, більш високий рівень, спочатку не сильно заселенийелектронами, тепер значно ними зайнятий. Але цей стан атомів, як ужезгадувалося, досить стійко. Підведена енергія накопичується.
З цього стану починається ланцюгова реакція, подібна процесу вгенераторі зі зворотним зв'язком, яка викликається випадковим процесом випромінюванняенергії хоча б одним з порушених атомів. Такий атом випадково переходитьзі стану в стан і при цьому віддає енергію випромінювання --порівняно коротку послідовність коливань, але все ж таки достатню,щоб зустріти на своєму шляху через стержневідний кристал другазбуджений атом. Частота цього коливання визначається за законом Планкарізницею енергій і та відповідає довжині хвилі приблизно
694 нм або червоному світлового імпульсу, що знаходиться у видимій областіспектру.
Цей процес називається індукованим або стимулювати випромінюванням.
Індуковане коливання узгоджується з частому і фазі з індукуютьколиванням таким чином, що з повною підставою можна говорити про
"Посилення світла індукованої емісією випромінювання". Звідси походить слово
LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.
Якщо в усталеному режимі енергія випромінювання при проходженні сигналучерез кристал більше втрат на поглинання енергії, то виходить ефектсамозбудження такий же, як в генераторі зі зворотним зв'язком. Одиничнеспонтанне випромінювання пов'язане з тривалими безперервними світловимиколиваннями в тілі кристала (оскільки в кристалі постійно єдостатня кількість порушених атомів). Якщо нанести на одну зторцевих поверхонь стрижня напівпрозорий дзеркальний шар, то частинаенергії випромінювання покине кристалічний стрижень у вигляді когерентногосвітлового випромінювання.
У перші роки твердотільні лазери застосовувалися головним чином уімпульсному режимі. Як джерела світла застосовувалися лампи-спалахи,які періодично порушували кристал надпотужними некогерентногосвітловими імпульсами і викликали випромінювання коротких когерентних світловихімпульсів. Як приклад, розробленого в той час лазерабезперервного випромінювання можна назвати лазер на неодімовим гранаті (Nd-YAG),ядро якого представляє собою іттріево-аллюминиевый гранат здомішкою неодіма. Основні лінії енергії накачування лежать тут в областідовжин хвиль 750 - 810 нм, основною лазерний перехід - на 1064 нм.
(Збудливість також і інші переходи.)
3.3 ВИСОКА СТУПІНЬ Когерентність ВИМАГАЄ ВИТРАТ
Описаний неодимом-іттріево-алюмінієвий гранат є одним з багатьохможливих матеріалів, що застосовуються в лазерах. Прийнятні також багато іншихматеріали; потрібно лише, щоб вони принципово могли випромінювати світло
(флюоресціровать) і мали Метастабільний стан з можливо більшвисокою стійкістю або часом життя. Порушення цього станумає здійснюватися з високим ККД (що обумовлює відносно малупотужність накачування), і, нарешті, матеріал повинен бути малими оптичнимивтратами.
Деякі гази добре відповідають перерахованим умовам, томуможна побудувати так званий газовий лазер. Один з найбільш відомихгазових лазерів використовує в якості активного матеріалу суміш з гелію інеону, де енергія збудження підводиться у формі електричного розряду вгазі. У тонкій скляній трубці довжиною від кількох десятків сантиметрівдо 1 м розряд запалюється між двома електродами, упаяними в корпуструбки. При цьому у всьому обсязі порушеної газу усередині трубки виникаютьелектрони, енергія яких служить для того, щоб перш за все перевести набільш високий енергетичний рівень атоми гелію, які в свою чергу врезультаті аналогічного ефекту збуджують наявні в незначнійкількості атоми неону. Ці атоми неону створюють при описаномусинхронізованому зворотному переході в основний стан індукованевипромінювання.
Технічним умовою наростання даного процесу в свою чергує наявність оптичного об'ємного резонатора, такого, який виходивв описаному вище твердотільному лазері при нанесенні плоскопараллельнихдзеркальних шарів на обидві торцеві поверхні кристала. У газовому лазеріактивний елемент конструктивно відрізняється від активного елементакристалічного лазера. Газорозрядна трубка спочатку закриваєтьсянаклеєними скляними кінцевими пластинками і потім - оптично точновивірена - вноситься в об'ємний резонатор, створеного двома зовнішнімидзеркалами. У сучасних невеликих газових лазерах застосовують такожвнутрішні дзеркала, що розташовуються в газорозрядної просторі. По крайнеймірою одне з дзеркал робиться напівпрозорим, так щоб частина світу моглазалишати резонатор ((вікно Брюстера ().
Так як довжина хвилі генерується лазером світла визначається р?? зностьюенергетичних рівнів відповідних активних матеріалів (і цілком можутьіснувати одночасно кілька таких випромінювальних переходів), можливовипромінювання світла різних довжин хвиль. Так, лазер на He-Ne можепринципово випромінювати на трьох різних довжинах хвиль. Найчастіше вінпрацює на довжині хвилі 0,63 мкм. Ця довжина хвилі відповідає червономусвітла видимого діапазону. Поряд з ним є порушені, невидимі длянас довжини хвиль 1,15 і 3,39 мкм. Яка з трьох можливих хвиль залишить обсягрезонатора, визначає конструктор лазера нанесенням частотноселектівнойплівки на дзеркало.
| Параметр | Гелій-неоно | аргоновий |-лаз |
| | Вий | й | ер |
| | Лазер | лазер | |
| | (He-Ne) | (Ar) | |
| Довжина хвилі випромінюваного | 0,6328 | 0,488 | 10,6 |
| світла, мкм | 1,15 | 0,515 | 9,6 |
| | 3,39 | | |
| Досягається вихідна | | | |
| потужність, Вт | | | |
| ККД,% | 0,01-0,1 | 0,01-0,2 | 1-20 |
У таблиці наведено найбільш відомі газові лазери. Необхіднопідкреслити широту області зміни їх параметрів. Проте всі газовілазери мають суттєву перевагу: високу когерентність випромінювання,яким спочатку надавали великого значення, виявилося при близькомурозгляді непотрібним. Набагато важливіше для когерентності світлової передачіповідомлень виявилася простота можливості модуляції світла, і саме тут угазового лазера виявилися слабкі сторони.
Модуляція газового лазера створюється шляхом управління інтенсивністюгазового розряду. Цим досягається модуляція енергії виходить випромінюваннялазера. Однак швидкість модуляції обмежена інерційністю газовогорозряду; найвища досяжна ширина смуги модуляції лежить в межахдекількох тисяч герц, тому являє собою малий інтерес для технікизв'язку.
3.4 напівпровідниковий лазер, ПРИЗНАЧЕНИЙ ДЛЯ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ
Крім названих суттєвими недоліками газового лазера єйого розміри, механічна неміцність, високі, необхідні для газовогорозряду робочі напруги і, нарешті, обмежений термін служби,обумовлений недовговічністю газорозрядної трубки. Всі ці властивостівиключають застосування газового лазера в сучасній системі зв'язку, тим більшеякщо врахувати прогресуючий розвиток напівпровідникової техніки і особливомікроелектроніки. Відносно великі електронні лампи, які щепанували в техніці приладобудування 60-х років, сьогодні за рідкіснимвинятком зникли і представляють лише історичний інтерес.
Напівпровідниковий прилад панує в широкій галузі електроніки,вимагає невисоких робочих напруг і менших (на кілька порядків)потужностей.
До цієї елементної базі може бути віднесений тільки одне джерело світла,який також побудований на принципах напівпровідникової техніки івиготовляється за такою ж або аналогічної технології, - напівпровідниковийлазер.
Напівпровідниковий лазер відрізняється від газової і твердотільноголазерів способом збудження. Він накачується НЕ світловий енергією, абезпосередньо електричної. До одного з pn переходів, відомих знапівпровідникової техніки, прикладається напруга в напрямкупровідності. Воно викликає струм і шляхом порушення рівноваги носіївзарядів (електронів та дірок) - бажану інверсію заселеністьенергетичних зон в області р-n переходу. Таким чином, напівпровідникнакачаний, він запас енергію.
Якщо спонтанно і випадково відбудеться перехід від такого порушеноїстану атомів в основний стан (рекомбінація носіїв заряду), товипромінюється світло буде некогерентен. Його потужність тим вище, чим більшеприкладається напруга, чим більше струм через pn перехід і чим більшечисло збуджених атомів. У цьому стані такий прилад ще не лазер, асветоізлучаючій діод.
Однак якщо підвищувати далі струм через перехід, то при визначеному струміза наявності зворотного зв'язку буде досягнуто таке посилення, коли будевиконуватися умова самозбудження, що є передумовою стабільноговипромінювання. При цьому так званому пороговому струмі діод починаєгенерувати лазерне випромінювання, це означає, що виходить світлосинхронізований по фазі і КОГЕРЕНТ. Тепер зі зростанням струму йогопотужність збільшується приблизно пропорційно току.
У твердотільному і газовому лазерах необхідна наявність дзеркальнихповерхонь для утворення оптичних резонаторів. У напівпровідниковомулазері об'єм резонатора багато менше: pn перехід, в області якогоутворюється індуковане випромінювання, має товщину менше 1 мкм і ширинукілька десятків мікрометрів. Кріплення дзеркал при таких габаритахутруднене, та в цьому й немає необхідності, тому що дуже високийкоефіцієнт заломлення арсеніду галію (GaAs), який сьогодні застосовуєтьсяяк основний матеріал для світловипромінювальних діодів, дозволяєреалізувати функцію відображення в самому кристалі. Так, якщо розламатикристал напівпровідника в певному напрямку, то рівні поверхнізламу працюють аналогічно віддзеркалювачам оптичного резонатора.
Глава четверта
УТОПІЯ І РЕАЛЬНІСТЬ
4.1 фантастичні можливості
Коли на початку 60-х років з'явилися перші придатні до експлуатаціїлазери, стало очевидним, що світ постав у новій якості - когерентнеелектромагнітне коливання на кілька порядків розсунуло кордонущо застосовується в техніці зв'язку діапазону частот. Оптимістичні розрахунки ледвеабо можна було спростувати: довжини хвиль близько 1 мкм відповідають частоті
Гц. Якщо прийняті лише 1% цього значення в якості ширини смугисигналу, якими можна модулювати дане коливання, то отримаємо значення
3000 Ггц. Це відповідало б приблизно мільярду телефоннихрозмов або мільйону телевізійних програм, які можна було бпередати одним єдиним світловим променем! Відомо, що найкращий інайдорожчий коаксіальний кабель з мідними провідниками має чиоднієї тисячної часткою цієї пропускної спроможності і що в майбутньому вкрайнеобхідно буде передавати інформацію дуже великого об'єму. Числотелефонних абонентів у світовій телефонної мережі постійно і нестримнозростає, а зростаючі господарські та промислові відносини між країнами іконтинентами вимагають все більше якісних каналів зв'язку. Коли ж усферу розгляду перспективних проектів включили можливістьвикористання відеотелефона (а передача одного-єдиного зображеннявимагає майже тисячократним пропускної здатності по рівнянню з телефоннимсигналом), то стало необхідним зважати на сильно збільшеною потребою вканалах передачі інформації.
4.2 Модуляція інтенсивність випромінювання
Горизонтально натягнута струна відповідним порушенням на одномуНаприкінці наводиться у коливальний стан. Хвиля поширюється вздовжструни і може бути зареєстрована на іншому кінці. Така механічнахвиля може бути зрозуміла як модель світлової хвилі, що рухається відджерела світла до приймача. Горизонтально натягнута струна може бутизбуджена по-різному - відхилення струни може відбуватися або ввертикальної, або в горизонтальній площині. Коли мова йде про світловийхвилі (або про радіохвиль, що випромінюється антеною), говорять в першому випадку провертикальній, а в другому випадку - про горизонтальної поляризації хвилі.
Якщо горизонтальна і вертикальна компоненти з'являються в певнійтимчасової послідовності, то це призводить до кругової поляризаціїелектромагнітних коливань. Для приймача коливань на іншому кінці лініїце тонка різниця у властивостях світлового потоку не істотно. Так само які людське око, він не реагує на площину поляризації світла іреєструє тільки потужність світла (в моделі - ступінь відхилення струни);він не розрізняє горизонтальну і вертикальну поляризацію світла. Однакє оптичні елементи, які реагують на поляризацію світла. Їхназивають поляризаційними фільтрами. Будучи поставлені в певномуположенні щодо напрямку розповсюдження променя, вони стаютьсветопроніцаемимі для певного виду поляризації, для світла ж знапрямком поляризації, поверненим ну, вони, навпаки, майжеповністю непроникні. Тільки коли сам фільтр повертають на такий жекут (навколо осі напрямку поширення світла), він пропускає світлодругого виду поляризації, перегороджуючи при цьому шлях першим.
Цей ефект застосовується для модуляції світлових променів, коли єможливість змінювати площину поляризації світла бажаним чином, ввідповідно до зміни модулюючого (переданого) сигналу.
Здійснити таку модуляцію можна з використанням відомогоелектрооптичних ефекту: якщо послати промінь світла через кристалпевного складу і до нього перпендикулярно напрямку розповсюдженнясвітла прикласти електричне поле, то площину поляризації світла тимбільше повертається в зоні дії поля, чим вище його напруженість, т.тобто чим вище прикладена для створення поля напруга.
Для цієї мети підходять монокристали дигідрофосфат амонію тадигідрофосфат калію, коротко вони позначаються як ADP або KDPкристали.
Описаним ефектом пояснюється механізм дії електрооптичнихмодулятора. Світло, який залишає газовий лазер, попутно може бути поляризованапристроєм в розрядної трубці оптичного вікна, розташованого під кутом
Брюстера. Поляризація може бути здійснена також і за допомогоюполяризаційного фільтра.
Лінійна модуляція перш за все перетвориться в кругову модуляцію здопомогою так званої четвертьволновой платівки. У кристалі ADP цямодуляція в залежності від сигналу стає більш-меншеліптичної. На виході поляризаційного фільтра потім виходить світло,модульований по інтенсивності. Якщо до електродів кристала не включенінапруга, то напрямок поляризації в кристалі не міняється і орієнтаціяпідключеного поляризаційного фільтра відповідає площині поляризаціїсвітла, що виходить з лазера (або після модулятора), причому світло проходитьчерез весь пристрій практично неослабленним. Але якщо напруга наелектрооптичних кристалі підвищується і при цьому збільшується кутщо виходить поляризації світла, то через поляризаційний фільтр проходитьщо зменшується частина світу. При зміні поляризації на другий фільтрповністю поглинає випромінювання і на виході пристрою утворюється темрява.
Подібні модулятори підходять також для дуже швидких зміндоданого модулюючого напруги. Вони перетворюють передається сигналу смузі вище 1 ГГц, набагато більшою, ніж це було можливо електричнимиметодами.
Модуляція інтенсивності лазерного випромінювання без модуляції напрямкиполяризації поза сумнівом була б технічно більш витонченерішення. Крім описаного конструктивного принципу (так званої зовнішньоїмодуляції лазера) можна реалізувати інші варіанти. Кристал можна булоб, наприклад вмонтувати в корпус резонатора газового лазера і обійтисязначно меншою потужністю модульованого сигналу (внутрішня модуляція).
Тим самим усувався б істотний недолік кристалічнихмодуляторів, що володіли в цілому хорошими модуляційних характеристиками:потреба у великих напруженостях керуючого поля і відповідновисоких керуючих напругах (до кількох сотень вольт).
В результаті розвитку лазерної техніки з'ясувалося, що для інженерапроста модульований має перевагу перед когерентністю. Недолікигазового лазера, включаючи складну модуляцію його випромінювання, зрівноважили всистемах зв'язку втрати в приймачі прямого посилення. Тому газовий лазер уосновному зник з робочих столів інженерів з оптичної техніки зв'язку ізвільнив місце інжекційні лазерам і світловипромінюючих діодів, навіть зурахуванням ряду їх недоліків, які можна було усунути тільки в процесіпослідовної невтомної роботи по їх удосконаленню.
4.3 Як ПЕРЕДАВ СВІТЛО?
Коли завдання швидкої модуляції випромінювання газового лазера не була щеяк слід вирішена, все ж таки була зрозуміла її принципова можливість. Однакв 60-ті роки ще не можна було твердо сказати про вирішення важливої проблеми --проблеми передачі модульованого світла від одного місця до іншого. Тільки вкосмосі передача представляється відносно простої, оскільки світло в ньомупоширюється без ослаблення. Коли вдається дуже сильно сфокусуватисвітло, тобто одержати пучок світла товщиною з голку (а це можливо длякогерентного світла), то можна в повному розумінні слова перекритиастрономічні відстані. (Правда, ми не говоримо про приховану стороні цьогоположення. Необхідно послати надзвичайно вузький світловий промінь і досягтидалеко віддалений пункт з максимально можливою світловий потужністю, томупотрібно дуже висока стабільність розташування передавача, і положенняприймача має бути точно відомо.)
Що стосується властивостей атмосфери як передавального каналу длямодульованих світлових променів, то вона є, очевидно, ненадійною середовищемз сильно змінюються і значним ослабленням.
Незважаючи на цю не зовсім підбадьорливі ситуацію приблизно з 1965 по
1970 були випробувані всі засоби при розгляді можливостей технікиоптичного зв'язку в атмосфері. Були створені досить прості й дешевірозміром з портфель прилади, які дозволили здійснити передачу черезатмосферу телевізійного зображення.
Якщо порівняти середні значення з багатьох вимірах, то можнавстановити: атмосферна оптична зв'язок раціонально застосовується лише успеціальних рідкісних випадках і тільки для дуже коротких відстаней задосить незначних кількостях переданої інформації. Якщо мова йдетільки про єдиному телефонному каналі, то можна перекрити кількакілометрів з надійністю лінії передачі, що дорівнює 95%. (Ніяке управліннязв'язку і ніякі телефонні абоненти не змирилися б з цим!) Приблизнов 5% часу така лінія зв'язку переривається через погоду. Висока надійністьоптичного зв'язку в атмосфері може бути досягнута тільки в результатісильного зменшення довжини ділянки.
Наступною була думка про вакуумовану або наповненою інертним газомтрубі, яку хотіли прямолінійно прокласти на великі відстані і вякої промінь світла повинен був поширюватися, не ослаблені в газах і з -за твердих частинок. Оптимісти говорили навіть про (спільне використанняпротяжних газопроводів (.
Ця ідея також не змогла витримати суворого іспиту. Строгопрямолінійна прокладка була утопією.
Подальше вдосконалення призвело до так званих лінзовийсвітловода. Якщо в трубі на відстані приблизно 100 м застосуватискляні лінзи діаметром близько 10 см з певним показникомзаломлення, то можна довести, що світловий промінь, що входить в трубу навіть прине строго паралельному щодо осі пробігу, постійно будеповертатися до середини труби (до оптичної осі) і не залишить систему лінз.
За допомогою такої конструкції можна також добитися викривлення ходу променя.
Цей проект був досліджений і експериментально випробувано. Але виявився доситьскладним тому що навіть складних пристроїв, які автоматично управлялистановищем окремих лінз, виявилося недостатньо, щоб компенсувативідхилення променя, викликані температурними коливаннями і рухом земноїкори. Варіанти цієї ідеї досліджувалися довгі роки. Лабораторії фірми Bellв США замінили механічно регульовані скляні лінзи газовими лінзами.
Це короткі відрізки газонаповнений трубки із зовнішнім електричнимнагрівом, в яких за рахунок перебудовуються радіальних температурнихградієнтів можна було досягти необхідної фокусування променя по центрутруби. Але ці роботи також не привели до успіху.
4.4 ПОШИРЕННЯ СВІТЛА ПРИ повне відображення
Всі перераховані вище етапи розвитку були пройдені, хоча простийспосіб передачі світла був давно відомий: передача променя по звичайномускляного стрижня, який оточений середовищем з малим показником заломлення
(наприклад, повітрям). Світлові промені, що проходять всередині скляного стрижняпід невеликим кутом до його осі, залишають його, вони повністю відбиваються відстінок стрижня і зигзагоподібно (або гвинтоподібно) поширюються уздовжнього, поки, нарешті, чи не вийдуть на кінці навіть у тому разі, коли склянийстрижень не прямолінійний, а изогнут.
Це явище було використано для того, щоб підвести черезбагаторазово вигнутий скляний або пластмасовий стрижень світло лампирозжарювання всередину оптичних приладов, у важкодоступні місця з метоюосвітлення або індикації.
Цікавий варіант застосування є в медицині: светопроводящійволоконний палять, що складається з безлічі волосяних світловодів, завдякичого досягнута така гнучкість, при якій джгут може бути введений впорожнини людського тіла. Вдалося навіть виготовити так званівпорядковані джгути: кожне окреме светопроводящее волокно на кінціджгута знаходилося точно на тому ж місці поперечного перерізу, як і напротилежному кінці джгута. Ці впорядковані джгути роблять можливимпередачу зображення за умови його освітлення.
Световодное волокно існувало вже на початку 60-х років,впорядковані і невпорядковані джгути були виготовлені багатьма провіднимиоптичними фірмами та впроваджені в техніку і медицину. Але у них бувістотний недолік, який робив їх із самого початку не застосовнимидля передачі повідомлень. Їх пропускна здатність була занадто мала длязастосування в ряді технічних областей. Простий розрахунок вказує на це.
Звичайне оптичне скло володіє ослабленням світла приблизно від 3 до
5 дБ/м (при вимірюванні у відповідному діапазоні хвиль). Ставленняпотужностей вимірюється в техніці зв'язку в децибелах (дБ). Коефіцієнтослаблення в децибелах рівний. Ослаблення світлового сигналу в 20 дБозначає зменшення світлової потужності у 100 разів, ослаблення в 3 дБ --зменшення потужності вдвічі.
Серед відібраних для технічних цілей скла можна знайти зразки здещо кращими значеннями ослаблення (від 0,4 до 0,8 дБ/м), а длякварцових скла можна досягти 0,2 - 0,3 дБ/м. Але навіть при використаннікварцових стекол на кожних 100 м довжини світловода підведена світловапотужність падає на 30 дБ, тобто в 100 - 1000 разів. Основна частина світлапоглинула б світлопроводом, перетворилася б на теплоту або була розсіяначерез бічну поверхню світловода.
Хоча ослаблення в мідних провідниках не багатьом менше, вони перекриваютьвідстані (залежно від конструкції і виду переданої інформації) вкілька кілометрів, поки сигнал не ослабне настільки, що виявитьсяза необхідне включити проміжний підсилювач (повторювач), якийпосилює сигнал і заново подає його в кабель. Багато таких підсилювачівмають, як правило, між пристроями двох телефонних абонентів,однак в оптичній лінії зв'язку відстань між двома сусіднімипідсилювачами, зване також довжиною підсилювального ділянки, становитьменше 1 км, а для вказаних вище значень ослаблення досягає 100 м. Зтехніко-економічної точки зору така лінія передачі не прийнятна.
Для застосування в техніці зв'язку необхідно було зменшити ослаблення всвітловод. При цьому можна було б задовольнитися значенням 30 дБ/км замість
500 для наявних оптичних стекол. Цього було б достатньо дляперекриття відстані в 1 км. Фахівці в галузі виробництва скла щев середині 60-х років вважали таку вимогу абсолютною утопією івказували на високий рівень технології оптичних стекол, який навряд чиможна було поліпшити. Розроблено
