9.14 Применение лазеров в технике связи. Изобретение лазеров создало предпосылки для создания оптических линий связи очень большой информационной емкости, так как частота его колебаний лежит примерно в области 5× 108 МГц, что в 100 тыс. раз выше, чем частота существующих в настоящее время высокочастотных систем связи. Однако в скоре после первых экспериментов стало ясно, что открытая атмосфера является далеко не оптимальной средой для передачи излучения. Линия связи должна быть защищена от воздействия различного рода осадков и температурных изменений, так как наличие дождя, тумана, снега, пыли значительно увеличивает затухание и связь прекращается. Наиболее перспективной направляющей системой для оптической связи оказались диэлектрические волноводы или волокна, как их называют из-за малых размеров и метода получения. В 1972 г. Затухание в волоконных световодах было 20 дБ/км, а в 1979 г. Его удалось снизить до 0,2 дБ/км. Успехи в технологии получения световодов с малыми потерями стимулировали работу по созданию волоконно-оптических линий связи ВОЛС, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с обычными кабельными линиями: высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель; значительно большая широкополосность; малая масса и габариты; ожидается уменьшение массы и габаритов примерно в 10 раз по сравнению с существующими кабельными системами связи при одинаковом числе каналов связи. Это приведет к уменьшению стоимости и времени прокладки оптического кабеля; полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования; отсутствие коротких замыканий; волокна могут быть использованы для пересечения зон с горючими и легковоспламеняющимися средами без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара; потенциально низкая стоимость; хотя волокна изготавливаются из сверхчистого стекла, имеющего примеси меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость должна быть невелика. Кроме того, в производстве волокон не используются такие дорогостоящие цветные металлы, как медь и свинец, запасы которых на земле ограничены. Оптические волокна должны иметь малое затухание в тех участках спектра, где существуют источники излучения. Для ВОЛС в качестве источников изучения используются лазеры и светодиоды. Передатчики ВОЛС должны работать при комнатной температуре, не требовать специальной системы охлаждения, быть компактными и удобными в обслуживании, иметь большую надежность. Наиболее перспективным лазером является полупроводниковый лазер с двойной гетероструктурой. В таких лазерах путем изменения тока можно осуществлять модуляцию излучения до 1 ГГц. Для ВОЛС на короткие расстояния в качестве источника излучения используются световоды. Излучение световода из арсенида галлия соответствует инфракрасной области спектра (l » 0,9 мкм), где волокна обладают малыми потерями. Эти световоды имеют большой КПД, компактны, просты в изготовлении, неприхотливы в работе. Достигнутые успехи в разработке и испытаниях ВОЛС позволяют считать, что они уже в ближайшее время займут значительное место в технике связи. Область их применения весьма широка – от линий внутригородской связи и бортовых комплексов до систем связи не большие расстояния с высокой информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые ситемы передачи информации, а также существенно улучшены и удешевлены существующие системы. Разрабатываются ВОЛС для диапазона длин волн 0,8-1,06 мкм, где вначале были достигнуты малые потери в волокнах. Однако последние испытания показали, что наиболее обещающей областью длин волн для ВОЛС является 1,2-1,5 мкм. Здесь получены минимальные потери в волокнах и низкая дисперсия материала волокон. Однако на этих длинах волн пока отсутствуют достаточно эффективные и надежные излучатели и фотоприемники. Широкополосные ВОЛС сделают в будущем видеотелефонную связь такой обычной, как в настоящее время обыкновенная телефонная связь. Развитие кабельного телевидения также связанно с использованием оптических кабелей, так как только в этом случае можно обеспечить высокое качество изображения в массовых системах этого типа, рассчитанных на индивидуальных абонентов. Кабельное телевидение приведет к качественному расширению возможностей информационного обслуживания. Речь идет о передаче через абонентский телевизор изображений газетных, журнальных и книжных страниц из библиотек и специальных информационных или учебных центров. В ВОЛС будет использоваться преобразование речевых сигналов в оптические непосредственно с помощью акустооптических преобразователей. Для передачи изображений будут применять аппаратуру с непосредственным сканированием и разложением оптического изображения и последующей передачей его без применения электронных схем. Все это дает возможность значительного упрощения оконечного оборудования системы и улучшения их технико-экономических показателей. Типичный оптический ретранслятор или передатчик, включающий лазер, модулятор, детектор, линзы и т.д., выполненный на оптической скамье, имеет много недостатков. Традиционные оптические приборы должны быть юстированы с чрезвычайно высокой точностью, и, следовательно, они чувствительны к изменениям температуры и малейшим вибрациям раздельно установленных частей. Решение этих проблем состоит в том, чтобы объединить оптические компоненты на одной подложке, соединив их миниатюрными оптическими волноводами. Интегральная оптика является оптическим аналогом интегральной электроники. Она дает возможность выполнить сложные оптические устройства в виде одного блока подобно интегральным схемам более низкочастотного диапазона. Она базируется на факте, что световые волны благодаря явлению полного внутреннего отражения могут распространяться в тонких пленках из прозрачных материалов, которые нанесены на подложки с коэффициентом преломления меньше, чем у пленки. Физические системы интегральной оптики отличаются от обычных оптических систем тем, что световые волны распространяются как направляемые волны внутри диэлектрических тонких пленок, а не как дифракционно ограниченные пучки в свободном пространстве. Тонкопленочные диэлектрические волноводы являются основой почти всех устройств интегральной оптики. Если оптические волноводы создать в электрооптическом материале, то фазовые скорости распространения света в световодах можно менять путем приложения электрического поля к электрооптическому материалу, приводящему к изменению его коэффициента преломления. Так как на оптических частотах длина волны очень мала, то вся система будет очень компактной и будет иметь высокую концентрацию компонентов. Интегральные оптические системы будут потреблять незначительную мощность, обладать большой скоростью обработки информации, высокой помехозащищенностью. Иметь большую надежность, лучшую механическую и температурную стабильность. Весьма перспективно применение лазеров для голографии, так как получение голограмм возможно только при использовании источников света, обладающих временной и пространственной когерентностью. Примером использования голограмм является и получение периодических структур для лазеров с распределенной обратной связью, изготовление амплитудно-фазовых фильтров для оптической обработки информации и т.д. Близкие к практической реализации быстродействующие голографические запоминающие устройства большой емкости, обеспечивающие хранение информации с высокой плотностью и надежное ее воспроизведение. Указывается, что на стандартной фотографической пластинке размером 9х12 см2 может быть записана информация, достигающая 108 бит. Интересным применением голографии является цветное трехмерное телевидение. Лазеры применяются в системах космической связи, на линиях “Спутник-Земля”, в оптической локации, в системах записи и обработки информации, в метрологии, медицине, для обработки материалов. Ионные лазеры используются в системах подводной связи, так как в воде наилучшим образом распространяется сине-зеленый свет, который соответствует длине волны излучения аргонового лазера (l =0,5 мкм). Лазеры на СО2 являются перспективными для наземных установок, так как их излучение (l =10,6 мкм) находится в полосе прозрачности атмосферы. Контрольные вопросы. Квантовые генераторы света (лазеры). Твердотельный лазер с оптической накачкой. Открытые оптические резонаторы и их свойства. Гелий-неоновый газовый лазер: устройство и принцип действия. Полупроводниковый инжекционный лазер: устройство и принцип действия. Применение лазеров в технике связи. назад | оглавление | вперёд