CC BY
125
УДК 001:330.341.1:004
РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ В ОБЛАСТИ ОПТОВОЛОКОННЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ: ИСТОРИЧЕСКИЕ И ФИЛОСОФСКИЕ АСПЕКТЫ
© Игорь Геннадьевич КОЧЕРГИН
Академия Федеральной службы охраны Российской федерации, г. Орел, Российская Федерация, кандидат исторических наук, доцент, e-mail: [email protected] © Олег Владимирович ТРЕТЬЯКОВ Академия Федеральной службы охраны Российской федерации, г. Орел, Российская Федерация, кандидат исторических наук, доцент, e-mail: [email protected]
Раскрыты закономерности развития инфокоммуникаций. Рассмотрены историко-научные и философские аспекты возникновения и эволюции оптоволоконных телекоммуникационных систем. Сделан вывод о развитии инфокоммуникационных технологий в рамках современного этапа телекоммуникационной революции на основе всеобщей компьютеризации общества и значительного роста возможностей каналов связи.
Ключевые слова: информационно-телекоммуникационная революция; глобальная информатизация; научное познание; оптоволоконные телекоммуникационные системы.
Глобальная информатизация современного общества - результат социотехнологи-ческой революции второй половины XX -начала XXI в., имеющей в качестве своих основных компонентов компьютерную и телекоммуникационную революции. До начала этой революции имелись в основном три глобальные системы передачи информации (телекоммуникации): 1) радио; 2) телеграф; 3) телефон. При этом технологическую основу телефонных и телеграфных систем составлял обычный кабель, способный одновременно осуществлять лишь одну передачу в одном направлении. Радио и телефон были подвержены искажающим воздействиям помех. В основу развития средств телекоммуникации легло развитие современных кабельных технологий, появление коаксиальных и волоконно-оптических кабелей, а также развитие спутниковой технологии [1-5].
Оптическая связь - род электросвязи, в которой процесс передачи информации реализуется посредством электромагнитных волн оптического диапазона. Выделяется два основных типа систем оптической связи: открытые оптические и волоконно-оптические. Средой распространения световой энергии для первого типа является атмосфера, для второго - диэлектрический стержень из оптически прозрачного материала - волоконный световод.
Современные оптоволоконные телекоммуникационные системы появились в ходе длительного исторического развития фундаментальных и прикладных научных знаний. Три основные теории описания природы и свойств оптического излучения - волновая, корпускулярная и лучевая (геометрическая) -используемые в той или иной степени до сих пор, родились еще в XVII в. Первая волновая теория, предложенная Х. Гюйгенсом, утверждала, что свет - это волны, распространяющиеся в особой среде - «всемирном эфире» [6]. В это же время в соответствии с корпускулярной теорией И. Ньютона свет представлялся потоком частиц. Подтверждением гипотезы Х. Гюйгенса являлся тот факт, что световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не взаимодействуют друг с другом. В пользу корпускулярной теории свидетельствовала прямолинейность распространения света, приводящая к образованию за предметами резких теней, являющихся, по мнению И. Ньютона, следствием инерции частиц света. Эти две теории возникли и существовали долгое время как антагонистические. В практических целях чаще применялись достижения лучевой (геометрической) теории света, сформировавшейся задолго до возникновения споров о природе оптического излучения. Основным в геометрической теории света является допущение о прямолинейности
распространения света в оптически однородных веществах, за исключением тех случаев, когда лучи проходят через границу между различными материалами. Такой подход, считавшийся вполне точным до разработки электродинамической теории света, и в настоящее время дает достаточно много полезных для практики результатов, касающихся волоконной и линзовой оптики, теории построения и применения оптических инструментов и средств оптической связи [7]. Данная теория на основе экспериментально установленных законов позволяла наглядно и просто (но не всегда строго и точно) описывать большинство наблюдаемых оптических явлений.
В середине XVIII в. появляются первые предпосылки для появления волоконной оптики: М.В. Ломоносов изготовлял стеклянные волокна и широко использовал их в различных светотехнических и оптических изделиях. Для этих целей по инициативе М.В. Ломоносова была даже построена Усть-Рудицкая фабрика (ныне г. Ломоносов) для производства «пряденого стекла» - стеклянных стержней и волокон [8].
Во второй половине XIX в. Дж. Максвелл заложил основы электромагнитной волновой теории света, доказав, что оптическое излучение есть разновидность электромагнитных волн. Экспериментальные подтверждения волновой природы света были получены Т. Юнгом и О.Ж. Френелем (явления интерференции и дифракции оптического излучения). Теория Максвелла позволила объединить всю совокупность электромагнитных волн, известных ученым, в единую систему.
В отличие от лучевой оптики электромагнитная волновая теория позволила учитывать не только направление, но и многие другие свойства света, такие как, например, изменения скорости его распространения в различных средах, поперечность поляризации оптических волн и пр. Строгое аналитическое исследование процесса распространения оптического излучения в реальных средах на основе решения уравнений электродинамики Максвелла производится по настоящее время.
В XIX в. появляются важные прикладные достижения в области волоконной оптики. Русский инженер В.Н. Чиколев предло-
жил в конце 1860-х гг. идею создания полых световодов. В середине 1870-х гг. данный изобретатель осветил с помощью световодов четыре помещения одного магазина, пороховые погреба крупнейшего по тем временам Охтинского порохового завода, театральную рампу и др. В 1881 г. американский инженер У. Уиллер пытался использовать этот же эффект для освещения помещений. Источником света служила свеча Яблочкова. Световоды В.Н. Чиколева и У. Уиллера представляли собой полые металлические трубы, внутренняя поверхность которых была зеркальной. Данные устройства обладали достаточным уровнем светопередачи для решения задач освещения, однако большие габаритные размеры и сложность полировки внутренней поверхности не позволили применять полые зеркальные световоды для передачи информации на расстояние. Таким образом, произошел возврат к идеям М.В. Ломоносова -применению стеклянных прутков для передачи света.
Эффект полного внутреннего отражения для неполой среды распространения, на котором основывается вся современная волоконно-оптическая связь, был впервые продемонстрирован Дж. Тиндаллом в 1870 г. в Англии. На собрании Королевского общества было показано, что свет, распространяющийся в струе очищенной воды, может огибать любой угол. В эксперименте вода протекала над горизонтальным дном одного желоба и падала по параболической траектории в другой желоб. Свет попадал в струю воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндалл направлял свет по касательной к струе, аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Аналогичное зигзагообразное распространение света происходит и в оптическом волокне.
Знаковое событие в истории оптической связи произошло в 1880 г. - инженер А.Г. Белл изобрел фотофон, в котором речевые сигналы могли передаваться с помощью оптического излучения [9]. Солнечный свет, направляемый на акусточувствительную мембрану, модулировался голосом человека, отражался на фотоприемник с телефоном, позволявших воспроизводить речь. Телефонная оптическая связь обеспечивалась на расстояние до 200 м. Однако эта идея не нашла
практического применения, поскольку облачность, дождь и другие погодные факторы оказывали слишком большое отрицательное влияние на качество передачи. Поэтому с появлением радиосвязи, изобретенной А.С. Поповым и Г. Маркони, и успешным развитием проводной и кабельной связи оптические линии связи были забыты. Тем не менее, практическая польза от оптической связи многократно выросла, появился принцип передачи звуков и устройство его реализующее. Впоследствии принцип модуляции оптического излучения акустическими волнами будет востребован.
Работы Дж. Максвелла не сделали победу волновой оптики над корпускулярной теорией окончательной. В конце XIX в., проводя исследования по термодинамике, немецкий физик М. Планк выдвинул гипотезу, что энергия любой микроскопической системы может принимать только дискретные значения (излучаться порциями - квантами), пропорциональными частоте собственных колебаний. В 1920-е гг. как результат работ
А. Эйнштейна, Н. Бора и других появляется новая область научно-технического знания -квантовая механика.
В 1905 г. А. Эйнштейн, развивая идеи М. Планка относительно светового излучения, доказал, что свет имеет прерывистую структуру, излучается и поглощается отдельными порциями (квантами света) - фотонами.
В результате дальнейших исследований оказалось, что сходными с видимым излучением корпускулярными (квантовыми) свойствами при излучении и поглощении обладают излучения инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Возникла нетривиальная ситуация: явления интерференции и дифракции излучений этих трех диапазонов можно было объяснить, считая их волновыми процессами, а явления излучения и поглощения - считая их потоком частиц (фотонов). То есть ряд явлений хорошо описывался одной теорией, но не «укладывался» в рамках другой, которая давала ответы на ряд вопросов, неразрешимых для первой теории.
Только в 1930-е гг. удалось непротиворечивым образом объединить все знания об оптическом диапазоне путем создания новой физической теории - квантовой электродинамики. В рамках этой науки свет объединяет в себе оба свойства: корпускулярную при-
роду и свойства волнового процесса, которые представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.
Дальнейшие исследования показали, что не только фотоны света, но и все микрочастицы обладают свойствами квантово-волнового дуализма. Такое проявление корпускулярно-волнового дуализма (двойственности) у микрочастиц количественно выражается принципом неопределенности Гейзенберга. Таким образом, в зависимости от задач исследования для описания оптического излучения можно использовать современные достижения в трех областях физики: 1) квантовой механики и теории квантовых полей; 2) лучевой (геометрической) оптики; 3) электромагнитной волновой теории.
Хотя квантовая электродинамика «примирила» сторонников корпускулярной и волновой теорий, «раскол» все-таки произошел - при изучении явления фотоэффекта ученые разделились на два лагеря. Приверженцы классической теории (чисто квантового подхода) считают, что электромагнитное поле оптического диапазона представляет совокупность фотонов, суммарная энергия которых определяет энергию поля. Каждый фотон, взаимодействуя с фоточувствитель-ным материалом инициирует вылет электрона с определенной вероятностью квантовым выходом.
Альтернативным подходом к решению задачи взаимодействия является полукласси-ческий подход. В этом случае поле описывается классически, используется волновое представление, а атомная структура материала фотодетектора описывается на основе принципов квантовой механики.
Научно-техническое освоение оптического диапазона началось с перенесения на него хорошо развитых к тому времени методов радиотехники и электроники. С 1951 г. в промышленно развитых странах начались разработки стеклянных волоконных световодов: голландский ученый А. ван Хиил и англичане Г. Хопкинс и Н. Капани независимо друг от друга начали создание из стекла жгутов, по которым можно было бы передавать изображение. Их разработки применялись при гастроэнтерологической диагностике.
В 1956 г. Капани впервые предложил термин «волоконная оптика». По его мнению, это оптика на основе активных или пас-
сивных волокон, применяемая для передачи света по заданному пути.
Затухание первых световодов составляло порядка 1000 дБ/км, т. е. 10100 раз. Световой сигнал быстро затухал в стеклянной нити за счет рассеяния. Сначала ван Хиил делал оболочку из пластика, но оказалось, что он поглощает слишком много света. Капани предложил делать сердцевину и оболочку волокна из стекла, только с разными показателями преломления. Сердцевина должна быть как можно прозрачней, а оболочка, напротив, служить зеркалом. Английскому ученому удалось сварить стеклянное волокно с двумя слоями (этот принцип применяется по настоящее время).
Первые в мире исследования возможности создания линий связи на основе оптических диэлектрических волноводов были начаты в СССР в 1957 г. О.Ф. Косминским,
В.Н. Кузмичевым, А.Г. Власовым, А.М. Ермоловым, Д.М. Крупом. Ими были представлены результаты комплексных исследований и доказана широкополосность оптических волокон как направляющей системы.
Советские специалисты В.В. Варгин и Т.И. Вейнберг в 1958 г. показали, что свето-поглощение стекол обусловливается примесями металлов, вносимыми шихтой и продуктами разъедания огнеупорных материалов. Было экспериментально показано, что светопоглощение чистого стекла лежит за гранью чувствительности приборов того времени. К таким же выводам через восемь лет пришли сотрудники английской фирмы STL.
Толчком к развитию оптических систем передачи информации явилось изобретение в 1959 г. А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым и
Ч. Таунсом (США) оптического квантового генератора (далее - ОКГ) - лазера. С 1962 г. началось серийное производство ОКГ (так в СССР назывались эти приборы до начала 1970-х гг.).
В 1959 г. появляется одномодовое оптическое волокно. Компания American Optical произвела оптическое волокно, в котором могла распространяться только одна мода световой волны. Новое волокно отличалось малым диаметром сердцевины (всего 10 мкм), очень высокой ценой и низким качеством. В силу последнего фактора эти волокна широкого распространения не получили.
В это же время связисты впервые серьезно начали рассматривать возможность передачи информации по оптическому волокну. Заменить господствовавшие в то время медные кабели на оптические было бы возможно, если бы усилители сигнала ставили хотя бы через каждый километр, как это делалось тогда на медных линиях связи. При этом волноводы должны были доносить до ближайшего приемника хотя бы 1 % мощности передаваемого сигнала, в противном случае прием был бы невозможен. Таким образом, необходимо было создать световод с соответствующим затуханием.
В 1965 г. сотрудник британской телефонной компании Ч. Као доказал, что для успешной передачи информации по волоконно-оптической линии связи достаточно затухания оптического сигнала 20 дБ/км. Была высказана идея о том, что создание пригодных для телекоммуникаций волокон зависит от уменьшения примесей в стекле. Однако технологически реализовать эти научные положения удалось только в 1970 г., когда компанией Corning Glass (США) было получено оптическое волокно с достаточно малыми (для того времени) километрическими потерями (16 дБ/км на несущей с длиной волны 0,85 мкм). Еще два года потребовалось компании, чтобы уменьшить достигнутое затухание световода вчетверо. Значение 4 дБ/км полностью удовлетворяла условию применимости Као и Хокхэма и было рекордным для того времени.
Идеей Као вдохновились ученые американской компании Corning Glass Р. Маурер, Д. Кек и П. Шульц, решившие использовать вместо обычного стекла синтетический кварц. Но для реализации внутреннего отражения коэффициент преломления сердцевины должен быть больше, чем оболочки. Для этого в сердцевину решили добавлять смеси, искусственно повышая коэффициент преломления. Одновременно надо было уменьшить затухание. Новый тип волокна состоял из тонкой сердцевины и толстой оболочки. Сначала изготовливалась оболочка, а затем внуть напылялась сердцевина.
Сотрудниками Ленинградского физикотехнического института под руководством Ж.И. Алферова в 1970 г. были разработаны полупроводниковые приборы на основе двойных гетероструктур, в т. ч. полупровод-
никовые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. С этого момента началось быстрое развитие атмосферных и волоконно-оптических систем передачи информации. Источник оптического излучения стал значительно миниатюрнее, экономичнее, эффективнее.
Волоконно-оптические линии связи начинают теснить традиционные медные линии связи в приложениях, предъявляющих высокие требования к электромагнитной совместимости. Так, например, в 1973 г. корабль ВМС США Little Rock был оснащен волоконно-оптической линией связи. В 1976 г. в рамках проекта ALOFI ВВС США заменили медные кабели самолета А-7 на волоконнооптические. При этом 302 медных кабеля общей длинной 1260 м весом 40 кг были сменены 12 волокнами весом 1,7 кг. В 1977 г. была запущена двухкилометровая система со скоростью передачи 20 Мб/с, связавшая наземную спутниковую станцию с центром управления.
К середине 1970-х гг. потери в оптических волокнах были снижены до 2,5-3 дБ/км на длинах волны 780-870 нм оптического диапазона. Это позволило в СССР, США, Японии, Англии, Франции и Германии построить первые коммерческие волоконнооптические системы со скоростями передачи 2,048, 8,848 Мбит/с и 34 Мбит/с, а также системы кабельного телевидения. Последние работали в диапазоне 1280-1360 нм по многомодовым оптическим волокнам с полосой пропускания не более 1200-1600 МГц/км. В
1977 г. компании AT&T и GTE развернули коммерческие телефоне системы на основе оптического волокна, превосходящие стандарты производительности того времени.
К тому времени под руководством академика Ж.И. Алферова уже были разработаны и практически изготовлены быстродействующие и малошумящие фотоприемники ближней инфракрасной (ИК) области спектра, способные функционировать на еще более высоких скоростях передачи данных, а также получены лазеры, работающие при комнатной температуре со сроком службы свыше 100 тыс. ч.
Основные усилия ученых долгое время были сконцентрированы на увеличении полосы пропускания волоконных световодов. К концу 1975 г. были разработаны градиентные
оптические волокна. В 1976 г. было объявлено о начале освоения нового окна прозрачности волоконного световода на длине волны 1550 нм, разработке и серийном производстве полупроводниковых лазеров и фотоприемников, работающих в этом перспективном диапазоне.
К концу 1977 г. срок службы изготавливаемых полупроводниковых лазеров был увеличен до 1 млн ч (100 лет), а в 1978 г. было получено одномодовое оптическое волокно с затуханием 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм.
1978 г. знаменателен заключением договора о строительстве трансатлантической волоконно-оптической магистрали на одномодовом волокне компаниями AT&T, British Post Office и STL. Однако плану было суждено сбыться лишь в 1980 г., когда появилось одномодовое волокно надлежащего качества.
В 1980 г. компанией AT&T была пущена в эксплуатацию первая коммерческая волоконно-оптическая линия дальней связи между Бостоном и Ричмондом (США), в которой использовалось три рабочих длины волны, градиентное многомодовое волокно. Скорость передачи информации по этой линии составила 45 Мбит/с. Реализация этого проекта продемонстрировала скоростные качества новой технологии в серийных системах дальней связи, а не только в лабораторных условиях. После этого окончательно стало ясно, что в будущем ставку надо делать на развитие оптической связи. В 1981 г. инженеры корпорации Bell обеспечили на длине волны 1300 нм в одномодовом волокне длиной 49 км скорость передачи сигнала 140 Мбит/с, а в 1982 г. - 400 Мбит/с.
В начале 1980-х гг. большое внимание учеными уделялось улучшению дисперсионных характеристик волоконных световодов. Было положено начало работам по разработке одномодовых волокон со смещенной дисперсией.
В сентябре 1983 г. корпорация SieCor организовала первые промышленные поставки одномодовых волоконно-оптических кабелей для телефонной компании в Нью-Йорке. В настоящее время в мире изготавливаются и поставляются телекоммуникационным компаниям сотни тысяч километров одномодовых волокон в год.
В конце 1987 г. был разработан широкополосный оптический усилитель на волокне с примесью ионов редкоземельного металла эрбия. Это позволило организовать работы по созданию волоконно-оптических систем с мультиплексированием по длине волны.
К этому времени Международный союз электросвязи принял комплекс международных рекомендаций, регламентирующих терминологию и технические характеристики систем оптической связи.
Первый подводный волоконно-оптический кабель (ТАТ-8) был успешно проложен через Атлантический океан в 1988 г. В настоящее время используется более 40 тыс. км трансокеанских оптических кабелей.
С середины 1980-х гг. на Западе начался волоконно-оптический бум. В СССР тоже бились над проблемами создания компонентной базы волоконно-оптических систем передачи. Советским ученым из-за эмбарго на поставки технологий из стран Запада пришлось осваивать полный цикл производства оптических волокон, кабелей, регенераторов, систем передач. Первая в СССР волоконно-оптическая линия связи длиной 350 м функционировала в Физическом институте Академии наук для соединения блоков ЭВМ с 1976 г. Работы по разработке оптических волокон шли в Институте радиотехники и электроники Академии наук, ГосНИИ кварцевого стекла и оборонных предприятиях. Варили волокно на заводе в Гусь-Хрусталь-ном. Результатом всех усилий стало создание оптического волокна с затуханием 0,25 дБ/км, его промышленное производство, введение в строй линий Волховстрой - Ленинград, Ленинград - Сосновый Бор, Ленинград - Минск.
С 1993 г. стали применятся оптические усилители, позволившие увеличить длину регенерационной секции до 120 км. В данный период начинает зарождаться идея построения полностью оптических сетей связи. В 1995 г. в США принята в эксплуатацию первая волоконно-оптическая система передачи со спектральным разделением каналов (WDM).
В середине 90-х гг. XX в. в Европе приступили к реализации сразу нескольких международных проектов волоконно-оптических транспортных сетей. К этому времени практически полностью сформировалась концепция построения пассивных полностью опти-
ческих транспортных сетей, обоснованы архитектуры многоволновых мультисервисных линий различного назначения. К 1997 г. закончена разработка оптических мультиплексоров адресного ввода-вывода.
Вторая половина XX в. сопровождалась выделением волоконной оптики в самостоятельный подраздел оптики, разработкой практически всех элементов волоконно-оптического линейного тракта и их качественным совершенствованием. На смену устройств, в основе функционирования которых стоял электрон, все чаще приходят средства, оперирующие фотонами. По аналогии с термином «электроника», отрасль знания, исследующую возможности применения оптических компонентов и световой энергии в интересах развития инфраструктуры человеческого общества стали называть «фотоника».
Развитие инфокоммуникационных технологий в рамках современного этапа телекоммуникационной революции происходит на основе всеобщей компьютеризации общества и значительного роста возможностей каналов связи (переход от аналоговых к высокоскоростным цифровым волоконно-
оптическим линиям связи). Разработка новых методов асинхронной передачи разнородной информации, механизмов мультиплексирования и управления потоками, создание распределенных оптоволоконных сетей обеспечивают неограниченную скорость передачи информации, доступ к сетям передачи данных из любой точки мира и во время движения, высокий потенциал интеграции и повышения эффективности глобальной и национальных сетей [10].
1. Воронина Т.П. Информационное общество. М., 1995.
2. Robertson D.S. The information revolution // Communication research. Beverly Hills; L., 1990. Vol. 17. № 2. P. 235-254.
3. Science and technology in transition to the 21st century. Wash., 2002.
4. Singleton L.A. Telecommunications in the information age: A nontechn. primer on the new technologies. Cambridge (Mass.): Ballinger, 1983.
5. Weil V. The information revolution // Science communication. L.; New Delhi, 1998. Vol. 20. № 1. P. 136-141.
6. Гюйгенс X Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит
при отражении и преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла / пер с фр. Н.К. Фредрикса; под ред. В. К. Фредрикса. М., 2010.
7. Янг М. Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы: пер. с англ. М., 2005.
8. Качалов Н.Н. Стекло. М., 1959.
9. Уилсон М. Американские ученые и изобретатели. М., 1975.
10. Инфокоммуникации информационного общества. Кн. 1, 2 / под ред. Л.Е. Варакина. М. 2006.
Поступила в редакцию 26.Q4.2Q13 г.
UDC 001:330.341.1:004
DEVELOPMENT OF SCIENTIFIC COGNITION IN FIBER OPTIC TELECOMMUNICATION SYSTEMS SPHERE: HISTORICAL AND PHILOSOPHICAL ASPECTS
Igor Gennadyevich KOCHERGIN, Academy of Federal Guard Service of Russian Federation, Orel, Russian Federation, Candidate of History, Associate Professor, e-mail: [email protected]
Oleg Vladimirovich TRETYAKOV, Academy of Federal Guard Service of Russian Federation, Orel, Russian Federation, Candidate of History, Associate Professor, e-mail: [email protected]
Mechanisms of evolution in info-communication are disclosed. The historical-scientific and philosophical aspects of the emergence and evolution of fiber optic telecommunication systems are considered. It is concluded that the development of info-communication technologies in the framework of the present stage of the telecommunications revolution on the basis of universal computerization and significant growth opportunities for communication channels.
Key words: info-communication revolution; global informatization; scientific cognition; fiber optic telecommunication systems.
