История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Как часто бывает РІ таких ситуациях, РІ Великобритании, РЇРїРѕРЅРёРё Рё РЎРЁРђ начались интенсивные усилия СЃ целью получить волокна СЃ улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут РІ 1970 Рі. Р•. Рџ. Капроном, Дональдом Кеком Рё Робертом Майером РёС… Компании РљРѕСЂРЅРёРЅРі Глас. РћРЅРё изготовили волокна, которые имели потери 20 РґР‘/РєРј РЅР° длине волны 6328 Рђ (длина волны He-Ne-лазера). Р’ том же РіРѕРґСѓ Р. Хаяши СЃ сотрудниками сообщили Рѕ лазерном РґРёРѕРґРµ, работающем РїСЂРё комнатной температуре.

Р’ 1971 Рі. Р. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой СЃРІСЏР·Рё РІ AT&T Bell Laboratories (Холмдел, РќСЊСЋ-Джерси, РЎРЁРђ), Рё ему было поручено разработать системы СЃ высокой скоростью передачи информации. Его начальники РЈ. Даниельсон Рё Р . Компфнер перевели часть персонала

в другую лабораторию, руководимую С. Миллером, чтобы не спускать глаз с того, что происходит в области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон и Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую группу для изучения практической возможности связи с помощью волокон. Было ясно, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является связь телефонных станций в крупных городах. Тогда для этого использовались кабели, а информация передавалась в цифровом виде, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, с их способностью передавать огромное количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы и телефонные станции в больших городах расположены на расстояниях несколько километрах друг от друга, и их уже в то время можно было связать без проблем, даже используя волокна с относительно большими потерями.

Ртак, предварительный эксперимент был сделан РІ середине 1976 Рі. РІ Атланте СЃ оптическими волоконными кабелями, помещаемыми РІ трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел Рє созданию системы, которая связала РґРІРµ телефонные станции РІ Чикаго. РќР° РѕСЃРЅРѕРІРµ этих первых результатов, осенью 1977 Рі., РІ Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. Р’ 1983 Рі. СЃРІСЏР·СЊ была установлена между Вашингтоном Рё Бостоном, хотя это Рё было связано СЃ РјРЅРѕРіРёРјРё трудностями. Рта система СЃРІСЏР·Рё работала СЃРѕ скоростью передачи 90 РњР±РёС‚/СЃ. Р’ ней использовалось РјРЅРѕРіРѕРјРѕРґРѕРІРѕРµ волокно РЅР° длине волны 825 РЅРј.

Между тем NTTC (японская телеграфная Рё телефонная компания) сумела вытягивать волокна СЃ потерями лишь 0,5 РґР‘/РєРј РЅР° длинах волн 1,3 Рё 1,5 РјРєРј, Р° Линкольновская лаборатория РІ MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного РґРёРѕРґР°, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРіРѕ непрерывно работать РІ диапазоне между 1,0 Рё 1,7 РјРєРј РїСЂРё комнатной температуре. Рспользование волокон СЃ малыми потерями РЅР° 1,3 РјРєРј позволило создать более совершенные системы. Были построены системы СЃ пропусканием 400 РњР±РёС‚/СЃ РІ РЇРїРѕРЅРёРё Рё 560 РњР±РёС‚/СЃ РІ Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. Р’ РЎРЁРђ было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая РІСЃРµ еще использует медный РїСЂРѕРІРѕРґ, является СЃРІСЏР·СЊ между РґРѕРјРѕРј Рё телефонной станцией. Рта последняя миля, как ее стали называть, также становится объектом волоконной СЃРІСЏР·Рё.

Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен РІ действие РІ 1858 Рі. Почти сто лет спустя, РІ 1956 Рі., был проложен первый телефонный кабель, получивший название РўРђРў-1. Р’ 1988 Рі. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей РЅР° оптических волокнах (РёС… стали называть РўРђРў-8). РћРЅРё работают РЅР° длине волны 1,3 РјРєРј Рё связывают Европу, Северную Америку Рё Восточную часть РўРёС…РѕРіРѕ океана. Р’ 1991 Рі. началось установление второго поколения волоконно-оптической СЃРІСЏР·Рё, РўРђРў-9, которая работает РЅР° 1,3 РјРєРј Рё связывает РЎРЁРђ Рё Канаду СЃ Великобританией, Францией Рё Рспанией. Другая линия работает между РЎРЁРђ Рё Канадой Рё Японией.

Р’ РјРёСЂРµ имеется СЂСЏРґ РґСЂСѓРіРёС… волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией Рё Японией покрывает 27 300 РєРј РІ Атлантическом океане, Средиземном РјРѕСЂРµ, Красном РјРѕСЂРµ, РРЅРґРёР№СЃРєРѕРј океане, РІ РўРёС…РѕРј океане, Рё имеет 120 000 промежуточных усилителей РЅР° пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 Рі. использовал 36 преобразователей, Р° первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.

Сегодня, после 30 лет исследований,

оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.

Однако имеется РѕРґРЅРѕ достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Рто возможность непосредственно усиливать оптические сигналы РІ волокне, С‚.Рµ. без необходимости сперва извлекать РёС… РёР· волокон. Путем добавления РІ материал волокна примесей подходящих элементов, например СЌСЂР±РёСЏ, Рё возбуждения РёС… СЃ помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё СЌСЂР±РёСЏ СЃ переходом, который точно соответствует 1,5 РјРєРј. Р’ результате можно получить усиление импульса света РЅР° этой длине волны РїСЂРё его распространении через волокно. РљСѓСЃРѕРє такого активного волокна помещается между РґРІСѓРјСЏ концами волокон, через которые распространяется сигнал. РЎ помощью оптического ответвителя РІ этот РєСѓСЃРѕРє направляется Рё излучение накачки. РќР° выходе остаток излучения накачки выходит наружу, Р° усиленный сигнал продолжает распространение РІ волокне. РЎ помощью такого РїРѕРґС…РѕРґР° можно исключить промежуточные электронные усилители. Р’ старых системах электронных усилителей свет выходил РёР· волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался Рё преобразовывался РІ свет, который продолжал распространяться РІ следующей секции волокна.

Компакт-диски

РћРґРЅРёРј РёР· самых популярных применений лазеров является РёС… использование РІ системах записи Рё воспроизведения компакт-РґРёСЃРєРѕРІ (CD), которые ныне полностью заменили старомодные виниловые РґРёСЃРєРё. Технология оптических РґРёСЃРєРѕРІ берет СЃРІРѕРµ начало РІ исследовательских лабораториях фирмы Филипс (Нидерланды) РІ 1969 Рі. Параллельно исследования РІ этой области проводились фирмой РЎРѕРЅРё (РЇРїРѕРЅРёСЏ). После соглашения РѕР±Рµ эти фирмы стали сотрудничать, Рё РІ 1982 Рі. компакт-РґРёСЃРєРё вышли РЅР° рынок. Р’ этой системе звуковая информация сначала записывается Рё преобразуется РІ серию импульсов, которые представляют первоначальный сигнал (С‚.Рµ. сигнал оцифровывается). Затем эти импульсы переносятся РЅР° поверхность стеклянного РґРёСЃРєР° СЃ помощью сложной техники, использующей лазер, испускающий ультрафиолет. Ртот лазер записывает последовательность импульсов РІ РІРёРґРµ отверстий РЅР° поверхности РґРёСЃРєР°. Каждое отверстие имеет микроскопические размеры СЃ шириной около тысячной миллиметра (0,5 РјРєРј) Рё глубиной 1000 Рђ. Таким образом, можно зарегистрировать большой объем информации РЅР° очень малой площади РґРёСЃРєР°. Рту предварительную запись используют для изготовления матрицы, СЃ помощью которой изготавливаются пластиковые РєРѕРїРёРё для продажи. Для считывания записанной информации РґРёСЃРє вращается, Рё считывание получается СЃ использованием света GaAlAs-РґРёРѕРґРѕРІ, работающих РЅР° длине волны 780 РЅРј. Свет РґРёРѕРґР° направляется РЅР° РґРёСЃРє Рё отражается той частью поверхности, РіРґРµ нет отверстий, Р° сами отверстия РЅРµ отражают свет. Отраженный свет регистрируется подходящим приемником. Сигналы декодируются электроникой СЃ преобразованием РІ Р·РІСѓРє (СЂРёСЃ. 64). Р’ настоящее время получают лучшие результаты СЃ диодами, работающими РІ СЃРёРЅРµ-зеленой области спектра. Уменьшение длины волны позволяет уменьшить размеры отверстий Рё тем самым записать большую информацию РЅР° той же площади РґРёСЃРєР°.

Рис. 64. Схема системы считывания с оптического диска. Свет, излучаемый лазерным диодом, формируется в пучок, который направляется на диск с записанной информацией. Та же оптическая система собирает отраженный свет и посылает его на приемник