|
| |
|
Слаботочка Книги технических характеристик, расширения объемов производства, снижения стоимости. Теперь рассмотрим направления исследований на более далекую перспективу - исследований, выходящих за рамки «традиционных» представлений о ВОЛС. 1. Светопередача по волокну. Непрерывно ищутся пути дальнейшего уменьшения затухания сигнала в волокне. Известно, что неустранимые потери на релеевское рассеяние имеют спектральную зависимость вида Л.-* [см. формулу (9.19)], поэтому переход от к %л5... 10 мкм мог бы привести к снижению затухания до уровня менее 0,001 дБ/км. Уже достигнуты первые успехи в получении относительно чистых волокон (с потерями 10... 100 дБ/км) для диапазонов Х=3... 4 мкм (флюоридные стекла), Х= = 5... 6 мкм (халькогенидные стекла) и 10 мкм. Последний диапазон особенно интересен для систем сверхдальней связи, так как излучение Х=10,6 мкм генерируется мощными высококогерентными СОг-лазерами. Имеются и другие пути уменьшения затухания. В литературе нередко указывается, что Ь0,\6 дБ/км (Хл1,55 мкм) близко к теоретическому пределу. Но это неточно и справедливо лишь для кварцевых волокон, изготавливаемых известными высокотемпературными методами. При замене материала или технологии обработки ситуация может измениться. Так, для волокон из фторида бериллия коэффициент Ирел в (9.19) может быть на два порядка меньше, чем для кварца, а значит, и предельное затухание уже при Xfal ... 1,5 мкм может быть снижено до 10" дБ/км. Не исключено, что овладение совершенной технологией изготовления волокон и свобода в выборе необходимых оптоэлектронных элементов вновь пробудят интерес к «забытым» конструкциям световодов на основе полых капилляров с жидкостным или газовым наполнением. Возможно, что это произойдет при освоении дальнего ИК-диапазона. Появление принципиально новых видов волокон потребует нового решения задачи минимизации дисперсии: отыскания спектральной области, в которой материальная дисперсия минимальна, расчета оптимальных профилей распределения примесей по сечению и т. п. В решении этой задачи, в том числе для традиционных кварцевых световодов, может оказаться полезным создание многослойных структур, позволяющих осуществить взаимную компенсацию волноводной и материальной дисперсии. Важным направлением является разработка оптических волокон с сохранением направления плоскости поляризации каналируемого излучения. Эти работы стимулируются развитием волоконно-оптических датчиков, однако после того, как такие волокна будут созданы и освоены промышленностью, они несомненно окажутся полезными и для связи: появится возможность дополнительного (пространственного) мультиплексирования передаваемой оптической информации. Сказанное относится к дальней связи; ряд перспективных исследований направлен на решение проблемы коротких и сверх- коротких ВОЛС. Поскольку в этих линиях предполагается использовать светодиоды, то необходимы волокна с увеличенным диаметром сердцевины и большой числовой апертурой. При коротких расстояниях мультиплексирование не всегда эффективно, поэтому удобны кабели с большим числом (до 10) физически разделенных каналов. При этом в многоволоконном оптическом модуле должна допускаться стыковка с многоэлементными матричными излучателями и фо.оприемкиками. Специфичные волоконно-оптические элементы потребуются для сверхкоротких меж- и внутриплатных связей в устройствах вычислительной техники. 2. Активные элементы. Одна из важнейших тенденций развития связана с интеграцией приемных и передающих модулей. Для ВОЛС первого поколения (Л.л:;0,85 мкм) все элементы приемного модуля - фотодиод, предварительный усилитель, усилитель, схемы обработки сигнала и принятия решения - изготавливаются из кремния, однако электрофизические свойства эпи-таксиальных структур резко отличаются. Следует добавить, что используемая схемотехника не может обойтись без конденсаторов и индуктивностей. Тем не менее образцы интегральных фотоприемных микросхем, правда, с невысокими характеристиками удалось изготовить. Не менее сложна и интеграция передающего модуля. Создавая на GaAs-подложке области с различными GaAlAs-гетеро-структурами, достигают совмещения лазера и схемы возбуждения. Однако технология получения локальных областей с различными свойствами очень сложна, кроме того, одновременная оптимизация оптических и электронных элементов устройства затруднительна. Еще сложнее проблема интеграции для ВОЛС второго поколения, где активные элементы - излучатели и фотодиоды - изготавливаются на основе InGaAsP- и InGaAs-соединений. Несмотря иа то, что используемые излучатели и фотоприемники совершенны, ведутся поиски новых типов приборов, пригодных для ВОЛС. Если альтернативы инжекционному лазеру и светодиоду пок» нет, то конкуренцию фотодиодам могут составить гетерофототранзисторы (сочетающие усиление 10 с быстродействием 10~ с) и в отдельных случаях планарные фоторезисторы. Для миоговолоконных систем передачи информации могут оказаться удобными ПЗС-фотоприемники. Качественно иной подход к проблеме излучателей и фотоприемников состоит в разработке активных волокон, таких, у которых сердцевина выполнена из «лазерного» материала. Достигнутые на этом пути успехи связаны с волокнами из неодимового стекла, возбуждаемого оптической накачкой, однако имеется принципиальная возможность использования и других материалов (активных на длинах волн ая:0,8Ь мкм и Xrl.S... 1,55 мкм). Такие активные волокна, работающие в режиме усиления, особенно удобны для использования в ретрансляторах ВОЛС. Наконец, следует отметить тенденцию повсеместного использования в ВОЛС принципов интегральной оптики. Многие отдельные элементы - модуляторы, коммутаторы, устройства ввода - уже прошли успешную апробацию; вполне реальным представляется создание интегрально-оптического ретранслятора. 3. Оптические системы. Важнейшим путем повышения пропускной способности ВОЛС является использование принципа мультиплексирования во всех его возможных аспектах. Речь идет о технологическом, временном, спектральном, пространственном уплотнении каналов передачи. Первые два аспекта - использование в одном кабеле большого числа невзаимодействующих волокон и временное мультиплексирование -- обсуждались выше. Спектральное уплотнение основано на том, что по одному и тому же световоду могут одновременно и не смешиваясь передаваться сигналы, соответствующие оптическому излучению различных длин БОЛИ. В простейшем варианте на вход волокна через систему интерференционных фильтров подаются сигналы от нескольких лазеров (например, трех). На выходе волокна интерференционная система, «обратная» входной, разделяет различные спектральные потоки, направляя их на три фотонриемника, - в итоге пропускная способность линии утраивается. Оценки показывают, что на существующей элементной базе число информационных каналов, реализуемых в одиночном волокне одновременно на различных оптических .несущих, может достигать 10; теоретически предельное число для диапазона К=0,8 ... 1,6 мкм превышает 10 каналов. Использование всех возможностей спектрального уплотнения требует создания новой, более сложной элементной базы: многочастотных лазеров (образцы двухчастотных лазеров на основе двух разных мезаструктур на одном кристалле уже получены), избирательных фотоприемников, эффективных разветвителей, интерференционных фильтров и др. Пространственное уплотнение осуществляется двумя способами: при передаче различно поляризованных мод по волокну, сохраняющему направление поляризации, и передаче нескольких мод с различными углами падения. На выходе все эти потоки пространственно разделяются и каждый воспринимается своим фотоприемником. Второй способ - «азимутальное» уплотнение - смыкается с проблемой передачи двухмерных изображений по одиночному волокну. Реальные достижения здесь пока невелики: передача трех лучей -на расстояние до 250 м с подавлением перекрестных помех на уровне 40 дБ. Для развития пространственного уплотнения также требуется создание принципиально новых технических средств, в первую очередь волокон с несмешиваемым распространением мод. Определенные надежды на увеличение скорости передачи информации связываются с использованием нелинейно-оптических явлений. При достаточно больших плотностях оптической мощности в волокне может быть реализован солитонный режим (см. § 3.2): импульсы с очень крутыми фронтами (менее Ю-... Юс) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 [102] 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |