|
Реферат: Внедрение средств автоматизации (Радиоэлектроника)
Оглавление
Этапы внедрения средств автоматизации: 4
Программное обеспечение 6
Библиотечные системы. Состояние автоматизации. 7
Использованная литература: 11
В преддверии XXI века в развитии человеческой цивилизации происходят
глобальные изменения, ведущие к её новому этапу - постиндустриальному
обществу, все шире использующему компью-теризированные орудия труда и
информационные технологии.
Информация в таком обществе становится одним из основных продуктов
деятельности человека, и библиотекам со своим огромным информационным
потенциалом предстоит войти в процесс развития информационной индустрии,
обогащая содержание и расширяя ассортимент производимого ими
информационного продукта, включая в поле деятельности наряду с
библиографической информацией фактографическую и аналитическую, а также
создание традиционной и новой продукции (фонды, каталоги в бумажном и
машиночитаемом видах, банки данных). Всего этого можно достичь, если
библиотеки уже сейчас, не теряя времени, приступят к выполнению
комплексных программ автоматизации библиотечных процессов.
Традиционно пользователи привыкли к мысли, что в библиотеке можно
получить любую информацию. Теперь, в условиях информационного
перенасыщения, библиотеке все сложнее выполнять основные функции:
фондообразование, информационно-библиографическое и абонементное
обслуживание. Улучшить сбор, хранение и обеспечение доступа к информации
библиотека сможет только при условии изменения ее технического оснащения.
Насколько же необходимо обзаводиться вычислительной техникой, и ,
вообще, что нам могут дать автоматизированные библиотечно-информационные
системы (АБИС)?
Чаще всего приводится следующий аргумент - повышение скорости поиска
информации. На самом деле это не главное. В конце концов, в относительно
небольшом массиве данных ручной поиск занимает не слишком много времени.
Более существенны следующие возможности:
[pic]
«одноразовый ввод данных и многоцелевое их использование для поиска
документов, печати подобранной информации, передачи массивов данных другим
организациям, подготовки изданий и т.д.;
[pic]
многоаспектовый поиск данных по различным признакам и их сочетаниям без
формирования дополнительных картотек и указателей;
[pic]
поиск в каталогах других библиотек и сводных каталогах, который
осуществляется с дисплея своего компьютера в теледоступе по каналам связи
или в базах данных на оптических дисках большой емкости, устанавливаемых на
компьютерах в своей библиотеке;
[pic]
организация комплектования фонда с использованием баз данных издающих или
книготорговых изданий, например, агентства Роспечать, с автоматическим
формированием заказов и учетом их выполнения;
[pic]
автоматизированный учет и ведение статистики во всех процессах, включая
обслуживание читателей;
[pic]
надежное хранение библиотечных каталогов в нескольких копиях»;[1]
[pic]
сокращение затрат на комплектование фондов и обработку входных потоков
документов;
[pic]
расширение сферы услуг за счет привлечения новых информационных источников.
На практике это означает выполнение автоматизированной обработки новых
поступлений в библиотеку; освобождение сотрудников от ряда рутинных работ
по подготовке картотек, изданий, списков, заказов, писем, отчетной
документации; создание базы данных о поступлениях; осуществление операций
по созданию и копированию тематических архивов литературы. Благодаря
автоматизации можно выполнять предметный поиск информации по запросам
читателей, обслуживание баз данных информационных и периодических изданий
библиотеки, ведение массива библиографических описаний журнальных статей,
поиск записей по ключевым словам, создание электронных справочников,
контроль за выданной литературой: учет читателей и их формуляров;
автоматическая запись в формуляр читателя выданной литературы; контроль
срока возврата книг. А главное - обеспечение читателям своей библиотеки
выхода в отечественное и мировое информационное пространство.
Надеюсь, вы убедились, что автоматизация библиотеки - штука полезная и
необходимая.
Какие же функции библиотеки целесообразно автоматизировать ?
В АБИС обычно выделяются следующие функциональные разделы:
[pic]
каталогизация, электронный каталог (ЭК), справочно-библиографиче-ское
обслуживание;
[pic]
библиографическое обслуживание на основе использования баз данных
чужих ЭК в теледоступе или на оптических дисках;
[pic]
подсистема обслуживания читателей;
[pic]
комплектование, включая книгообмен;
[pic]
регистрация периодических изданий и ведение соответствующего ЭК;
[pic]
межбиблиотечный абонемент;
[pic]
автоматизированная подготовка библиографических изданий, включая каталожные
карточки;
[pic]
подсистема управления (учет, статистика, кадры, бухгалтерия и т.д.).
Ограниченность финансирования заставляет библиотеку сделать выбор в
сторону автоматизации наиболее важных функций. Как правило, библиотека
останавливается, в первую очередь, на создании ЭК с функциями
комплектования и подготовки изданий. Затем решаются вопросы подписки на
периодику и ее регистрацию.
Автоматизация процессов обслуживания читателей связана с рядом
сложностей, которые заставляют многие библиотеки отложить создание этой
подсистемы на более обеспеченное будущее. Для данной системы целесообразно
иметь несколько дисплеев к одной компьютерной памяти, принтеры в каждом
помещении книгохранилища для печати заказов читателей. Кроме того, без
использования штрих кодов в библиотеке с номерами читательских билетов и
инвентарными номерами единиц хранения, при клавиатурном вводе простых
последовательностей знаков с читательских билетов и экземпляров документов
легко допустить ошибки.
Для внедрения АБИС необходимо определить конфигурацию системы и
средств ее программного обеспечения. Нормативные документы предусматривают
следующую последовательность этапов работ:
. исследование и обоснование создания системы (предпроектное обследование
);
. разработка технического здания;
. эскизное проектирование;
. рабочее проектирование;
. изготовление несерийных компонентов комплекса средств автоматизации;
. ввод в действие.
Сразу же нужно определиться, что мы хотим создать - отдельные банки
данных (ЭК книг, Периодические издания и др.) или целостную АБИС. Затем на
основе предпроектного исследования осуществляется тот технологический
процесс, который переводится на компьютеры. При этом составляется
техническое задание на разработку банка данных (системы). На этом этапе
возможно предупредить ошибки в выборе или разработке программного
обеспечения.
Этапы внедрения средств автоматизации:
Автоматизация процессов входной обработки массивов документов (функции
обработки документов, создание на текущих потоках базы данных, записи
читателей). Массивы документов определяют виды документов, для которых
составляются записи (библиографические, о единицах хранения, о партнерах по
книгообмену и т.д.). Каждая запись состоит из набора элементов.
Способом изображения состава элементов каждого вида записей является
формат. Его функция - кодирование элементов записей. В настоящее время в
библиотечных системах многих стран используются форматы типа MARC (форматы
машиночитаемой каталогизации), созданные в США (USMARC), Великобритании
(UKMARC), Финляндии (FinMARC) и др. Разработан также международный
коммуникативный формат UNIMARC для обмена библиографическими записями между
библиотеками разных стран. В АБИС нашей страны используются различные
варианты этих форматов USMARC, UKMARC и UNIMARC.
Наращивание парка компьютеров и выборочная обработка фондов документов для
ускоренного формирования ЭК, служебных и пользовательских баз данных. При
этом производительность обработки возрастает в 2-3 раза и выше из-за
отсутствия необходимости распечатки каталожных карточек, использования
кооперации в обработке ретро-спективы с другими библиотеками.
Установка и освоение средств автоматизированной внешней связи, начало их
использования для решения внутрибиблиотечных задач (комплектование, заказы
на поставку литературы по МБА), начало подготовки потенциальных
пользователей к новым для них услугам и информационной продукции.
Установка и использование средств автоматизации на участках обслуживания
читателей библиотеки (абонемент, читальные залы, справочно-
библиографическое обслуживание)
Обработка и внедрение комплексных организационно-технологических средств
обеспечения и управления работой АБИС, отработка организации и технологии
выполнения работ персоналом системы и подготовка соответствующих решений и
документации
VI. Полномасштабное внедрение АБИС и его эксплуатация
VII. Развитие АБИС
Важнейшим элементом автоматизации является ЭК (Электронный Каталог). В
начале основное требование к программным продуктам - возможность получения
библиографической карточки и в меньшей степени создание ЭК. Освоив новую
технологию обработки документов, решив проблему библиографической карточки,
накопив определенные массивы данных, подключив к ним пользователей , можно
внедрять программные продукты, использующие один формат. Подготовка данных
в формате карточки предполагает создание ее образа, что требует в
совершенстве знания ГОСТов на все типы и виды описаний. При поэлементном
вводе данных каталогизатору нет необходимости думать о той части ГОСТа,
которая описывает взаимодействие элементов. Образ карточки формируется
программным путем.
ЭК требует создания деятельного вспомогательного справочного аппарата
«Authority file». В традиционных карточных каталогах это справочные
картотеки альтернативных имен авторов, псевдонимов, коллективов, предметных
рубрик, ссылки типа «см.», «см. также». Без создания «Authority file» ЭК
не может функционировать нормально из-за частой смены наименований,
например, коллективов, их переподчинения.
Эк расширяет возможности тематического поиска при наличии развитой
системы лингвистического обеспечения.[2] Использование традиционных систем
индексирования (ББК) недостаточно при поиске, а цифровая кодировка
затрудняет их использование, особенно для читателей. Глубже раскрыть
содержание можно с помощью дескрип-торных языков, иерархических
классификаций. В дескрипторном языке смысл документа описывается с помощью
ключевых слов, между которыми задаются семантические отношения. Связи
фиксируются в информационно-поисковых тезаурусах.
Выбор формата, создание «Authority file», систем индексирования -
главные составляющие от перехода от традиционного к ЭК. Благодаря ЭК
осуществляется быстрота и разносторонность поиска, удобство пользования в
сравнении с традиционным каталогом.
Программное обеспечение
Программное обеспечение в первую очередь должно реализовать следующие
функции АБИС:
[pic]
обработку, хранение библиографической и фактографической информации, ее
поиск по любым элементам записей и их сочетаниям;
[pic]
поддержку иерархических классификаций и тезаурусов и использование
зафиксированных в них смысловых отношений между поисковыми признаками при
тематическом поиске;
[pic]
подготовку материалов для библиографических изданий, подборок материалов в
виде списков, фактографических и библиографических записей, отсортированным
по индексам какой-либо классификации и алфавиту;
[pic]
вывод данных о занятости экземпляра издания, осуществление заказа единицы
хранения читателем непосредственно при работе с ЭК с автоматическим
формированием читательского требования;
[pic]
фиксацию выдачи и возврата единиц хранения с параллельным изменением данных
об их местонахождении и сведений в читательском формуляре о полученных
документах;
[pic]
поддержку использования при поиске нормативных записей об индивидуальных
авторах и коллективах;
[pic]
наличие справочных текстов для ситуаций, которые могут вызвать затруднения
у пользователя;
[pic]
ввод записей о заказываемых документах и учет поступления их в библиотеку;
[pic]
выдачу результатов поиска на экран и на принтер в принятой форме;
[pic]
загрузку данных из текстовых файлов и выгрузку записей из базы данных в
текстовые файлы;
[pic]
защиту базы данных от несанкционированного доступа;
[pic]
восстановление базы данных в случае аварийной ситуации.
Каждая библиотека выбирает наиболее подходящее для себя программное
обеспечение. На российском рынке представлен довольно широкий выбор
отечественных разработок программных комплексов. Ведущий разработчик
библиотечных систем - ГИВЦ (Главный информационно-вычислительный центр),
выполнивший такие разработки АБИС, как «АС-Бибиотека», «АБИС-Бибиофил»,
«Библиотека для слепых». Также этим делом занимается БЕН РАН[3] («SOLAR»,
«Сочи», «DIISKAT»), ГПНТБ России («АС ГПНТБ», «ИРБИС»[4] и др.). Комплексы
программных средств состоят из модулей ПО (программного обеспечения)
автоматизированных рабочих мест (АРМ). То есть создаются АРМы, которые
обеспечивают выполнение следующих функций: комплектование, обработка,
обслуживание абонемента и др. В зависимости от выбранного комплекса
программных средств.
С развитием ЭК крупных библиотек их библиографические ресурсы станут
доступны читателям библиотек, не имеющих больших информационных ресурсов,
через теледоступ, а также обмен CD-ROM. На пути создания систем теледоступа
стоит серьезное препятствие - низкое качество отечественных телефонных
линий, кроме того, использование сетей передачи данных, электронной почты
смогут позволить себе немногие библиотеки в связи с высокой стоимостью
сетевых услуг. Изыскиваются возможности вхождения наших библиотек в
международные информационные сети типа INTERNET, создается собственная
межведомственная библиотечная сеть РФ LIBNET. Библиотеки обмениваются
сообщениями по e-mail сетей RELCOM? GLASNET.
В настоящее время особое внимание уделяется способам обмена
информацией на оптических дисках CD-ROM. На одном диске можно поместить ЭК,
содержащие миллионы библиографических записей, копии книг или рукописей для
обеспечения сохранности информации. Таким образом, имея персональный
компьютер с CD-ROM драйвером, можно предоставить в распоряжение читателя
свои библиотеки и ЭК крупнейших библиотек мира.
Благодаря внедрению АБИС и наличию доступа к информационной сети любая
библиотека может стать виртуальной библиотекой, т.е. она сможет не только
предоставит информацию о документах, но и тексты самих документов в
машиночитаемом виде. Виртуальные библиотеки, объединяясь в единую
глобальную структуру - электронную библиотеку, будут обеспечивать
интерактивный доступ любому потребителю к информационному ресурсу в любой
форме в любом месте.
Библиотекам принадлежит важнейшая роль в глобальной инфраструктуре -
роль интеллектуальных посредников, которые отбирают, организуют, хранят
информацию и обеспечивают к ней доступ.
Библиотечные системы. Состояние автоматизации.
1. РГБ (ГБЛ)
Автоматизация в РГБ ведется в двух направлениях: в библиотеке работает
АС «Информкультура», исполняющая роль информационного органа по культуре и
искусству в РФ, а также создается АБИС РГБ, состоящая из различных банков
данных, связанных между собой единой концепцией автоматизации в плане
технологии, информационного и лингвистического обеспечения. Информационная
система основана на использовании ЭВМ HEWLETT PACKARD (HP) 3000/48 и
персональных компьютеров.
АС «Информкультура» включает около 86000 записей в составе 8
реферативно-библиографичеких БД (банков данных):
. культура и социокультурная деятельность в сфере досуга;
. библиотечное дело и библиография;
. музейное дело и охрана памятников;
. общие вопросы искусства;
. изобразительное искусство;
. музыка;
. эстетическое воспитание;
. культурная жизнь стран СНГ.
РГБ имеет сводные каталоги зарубежных карт, атласов, зарубежных нотных
изданий, реализованных на собственном программном обеспечении. ЭК
автографов содержит библиографичекие записи и факсимильные изображения
страниц с дарственными надписями, получаемыми путем сканирования. РГБ
совместно с другими библиотеками МК РФ работает над созданием сводных
каталогов русской книги 1801-1917 г.г.
2. Библиотека Администрации Президента Российской Федерации (БАПРФ)
Локальная автоматизированная система БАПРФ реализована на базе ПП
TEXTO/LOGOTEL, ОС NETWARE 3.11. Пользователям БАПРФ предоставлен доступ в
локальном и удаленном режимах к ЭК книг и картотекам периодики, а также
базам данных библиотеки. Базы данных библиотеки находятся также на CD-ROM
(энциклопедии, справочники, международная статистика, экономика,
библиография и т.п.). БАПРФ осуществляет широкое международное
сотрудничество в целях реализации взаимообмена документами и развития
информационных технологий.
3. Российская национальная библиотека (РНБ)
РНБ располагает одним из крупнейших в России книжным фондом (31 млн.
ед. хранения). В ней реализованы 5 локальных сетей типа ETHERNET.
Автоматизированная система РНБ в качестве программного обеспечения
использует ППП ISIS (зарубежная разработка комплексной библиотечной
системы), включает следующие подсистемы:
[pic]
«Иностранной книги» - комплектование и обработка новых поступлений
иностранной литературы;
[pic]
«Отечественных периодических изданий» и «Зарубежных периодических изданий»
- автоматизированная обработка и запись соответствующих видов литературы.
Всего в РНБ организовано и поддерживается 5 локальных (например,
«Авторефераты диссертаций», «Иностранная книга» и др.) и 14 проблемно-
ориентированных БД («Храмы С.-Петербурга», «Библиотеки дореволюционной
России», «Рыночная экономика» и др.).
3. ГПНТБ России
ГПНТБ России является сегодня одной из самых автоматизированных
библиотек не только России, но и всего бывшего СССР. Около 200компьютеров и
станций обеспечивают потребности библиотеки в автоматизированных
технологиях. Основное программное средство, применяемое ГПНТБ России,
служит ППП ISIS. С 1987 г. Ведется сводный каталог научно-технической
литературы, отражающей сегодня фонды около 600 библиотек России и СНГ;
переведен на средства ЛВС. Эта сеть поддерживает ЭК по всему потоку
поступающей литературы с 1993 г. и целый ряд специализированных
тематических баз данных: программ, неопубликованных переводов, адресно-
справочных баз данных и электронных изданий. Комплекс проблемно-
ориентированных баз данных дает пользователям возможность узконаправленного
поиска и заказа литературы по заданной тематике или проблеме. Комплекс
настольных или издательских систем, оборудованных высокопроизводительными
лазерными принтерами, сканерами, текстовыми процессорами и издательскими
пакетами, в совокупности со средствами оперативной полиграфии позволяют
выпускать печатные издания: указатели, каталоги, методические пособия и
т.д.
Посещают ГПНТБ около 500 человек в день, книговыдача только в
читальных залах 2.9 млн. экз. в год. В целях совершенствования технологии
обслуживания в читальных залах внедряются автоматизированные системы поиска
и заказа литературы (АСПиЗ), работающие в локальном и сетевом режимах.
Начата автоматизация процесса обслуживания на базе специализированных
читальных залов. Для читателя работа АСПиЗ ведется в двух режимах: в
подсистеме заказа литературы (ПЗ) и в подсистеме библиографического поиска
(ПБП). ПЗ осуществляется для читателя, имеющего штрих код на читательском
билете.
АСПиЗ литературы разработана с использованием штрих кодов, которые,
являясь идентификатором отдельного экземпляра, используются для контроля за
прохождением печатной единицы через автоматизированную систему. Читателю,
зарегистрированному в системе, достаточно сделать отметку о заказе в режиме
просмотра найденной им литературы, чтобы перейти в режим
автоматизированного заказа. В фонде дежурный библиотекарь делает распечатку
накопившихся заказов, подбирает литературу и передает на кафедру выдачи.
Затем при помощи сканера с каждого экземпляра считывается штрих код. В
памяти машины фиксируется вся заказанная литература, при выдачи ее сначала
регистрируется читательский билет. На экране монитора высвечиваются данные
о состоянии заказа читателя, что исключает возможность выдачи чужого
заказа. При возврате операция считывания штрих кода повторяется. Сейчас АРМ
обслуживания читателей (использование штрих кодов на книгах и читательских
билетах) внедряется в других библиотеках России.
4. Иркутские библиотеки
Иркутские библиотеки медленно, но довольно продуктивно автоматизируют
библиотечные процессы.
В частности, библиотека ИГЭА[5] приобрела 22 компьютера, принтеры,
сканер, в качестве программного обеспечения выбрала «Библиотека 2, 3, 4»,
использует формат USMARC, ЭК ведет с 1991г. В нег заносятся новые
поступления, начиная с 93г., ретроспективно 89-92.г. В ЭК «Книги»
содержится более 6000 записей, около 1000 записей документов редкого фонда
XIX-н.XX в.в. ЭК «Статьи» имеет 850 записей с 95 г. Поиск в каталоге
осуществляется по следующим параметрам: автору, заглавию, ключевым словам,
предметным рубрикам, серии, году издания, месту хранения, инвентарному
номеру. Создаются базы данных «Книгообеспеченность», «Подписка»,
«Периодика». Функционирует локальная библиотечная сеть, которая позволяет
пользоваться ЭК в читальных залах и комнате картотек.
В библиотеке ИГУ[6] первый этап автоматизации начался в 1991г. Был
создан отдел научной обработки фондов и организации каталогов, который
ретроспективно пополнил ЭК. С июля 1995г. началась автоматизированная
обработка новых поступлений. При этом использовался ППП «Библиотека 2, 3,
4.2», заимствованный у научного коллектива МГУ. Сейчас занесения в ЭК
ретроспективы не происходит из-за отсутствия обслуживающего персонала и
машин, обрабатываются только новые поступления.
Библиотеку давно перестали рассматривать как старинное здание, в
котором пылятся книжки. Социологический опрос молодежи показал, что за
сохранение традиционных функций библиотеки выступает 25% читателей, а 75%
хотят работать с компьютером, смотреть видеофильмы, использовать в поиске
CD, а ведь это мнение самой важной части нашего общества. Следовательно,
действительно назрела необходимость изменения роли библиотеки, она должна
превратиться в центр информационного и коммуникативного обеспечения людей.
Библиотека должна стать не только источником идей, мыслей, технологий
в виде журналов, диссертаций, книг , каталогов и др., но и
автоматизированным информационным центром, обслуживающим пользователей в
локальном и сетевом режимах, центром внедрения новых информационных
технологий, создателем собственных баз данных и комплексов
автоматизированных услуг благодаря разработке и внедрению АБИС.
Использованная литература:
1) НТБ - 95г., № 3,4,5,12
-96г., № 1,2,4,11
2) Библиотековедение - 93г., №1
- 95г., № 4/5
- 96г., № 3
3) Библиотека - 92г., № 5/6, 9/10
- 94г., № 2,3
- 95г., № 10
- 96г., № 1-8, 12
4) Библиотекарь - 91г., № 6,8,10
5) Мир библиотеки сегодня - 95, вып. 1
6) Я.Л. Шрайберг, Ф.С.Воройский. АБИС России
-----------------------
[1] Юрина А.А. Компьютеризация библиотеки (статья в «Мир библиотеки-95,
выпуск 1), с.34-35
[2] Лингвистическое обеспечение - совокупность искусственных информационно-
поисковых языков, с помощью которых информация фиксируется в АБИС в удобном
для машинной обработки виде, а также алгоритмов ввода, поиска и выдачи
данных
[3] БЕН РАН - Библиотека по естественным наукам Российской Академии наук
[4] ИРБИС - Интегрированная развивающаяся библиотечно-информационная
система
[5] ИГЭА - Иркутская Государственная Экономическая Академия
[6] ИГУ - Иркутский Государственный Университет
Реферат на тему: Волоконно-Оптические Линии Связи
Министерство Путей Сообщения
Московский Государственный Университет
Путей Сообщения
(МИИТ)
РЕФЕРАТ
Волоконно Оптические
Линии Связи
[pic]
Преподаватель: Никитенко В. А.
Студент: Долгачев И. Н.
Группа: ЭВМ-111
Москва 1996 г.
[pic]
СОДЕРЖАНИЕ
Глава первая
СВЕТ ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ
Глава вторая
От спектра к когерентности
2.1 ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?
2.2 ЦВЕТ, ДЛИННА ВОЛНЫ, ЧАСТОТА — ТРИ ХАРАКТЕРНЫХ ПАРАМЕТРА СВЕТА
2.3 СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ В ОПЫТАХ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Глава третья
ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТ ПРИРОДУ
3.1 КАК ОБРАЗУЕТСЯ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ
3.2 ЛАЗЕР КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
3.3 ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРЕБУЕТ ЗАТРАТ
3.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Глава четвертая
УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ
4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
4.2 МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ
4.3 КАК ПЕРЕДАЮТ СВЕТ?
4.4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ПРИ ПОЛНОМ ОТРАЖЕНИИ
Глава пятая
СВЕТОВОД — ПОСРЕДНИК МЕЖДУ ПЕРЕДАТЧИКОМ И ПРИЕМНИКОМ
5.1 ОСЛАБЛЕНИЕ ОЗНАЧАЕТ ПОТЕРЮ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
5.2 РАЗНИЦА ВО ВРЕМЕНИ ПРОБЕГА ОГРАНИЧИВАЕТ
ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИИ СВЯЗИ
5.3 ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ
5.4 ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ, ИХ КОНСТРУКЦИИ И СВОЙСТВА
Глава шестая
ИСТОЧНИКИ СВЕТА — СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И ЛАЗЕР
6.1 ЧТО ОЗНАЧАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ?
6.2 ТИП ИСТОЧНИКА ОПРЕДЕЛЯЕТ МОЩНОСТЬ
6.3 ПРОБЛЕМА ВЫВОДА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
6.4 СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
6.5 ЛАЗЕР ИЛИ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД?
Глава седьмая
СВЕТОВОЙ СИГНАЛ НА ПРИЕМНОМ КОНЦЕ ЛИНИИ
7.1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
7.2 ФОТОДИОДЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ
7.3 ШУМ — СИЛЬНЕЙШИЙ ВРАГ ТЕХНИКИ СВЯЗИ
7.4 КАКОЙ ДЛИНЫ МОЖЕТ БЫТЬ ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ?
Глава восьмая
МНОГОЦЕЛЕВАЯ АБОНЕНТСКАЯ СЕТЬ
Глава первая
СВЕТ ПЕРЕНОСИТ ИНФОРМАЦИЮ
У человека имеется пять органов чувств, но один из них особенно важен
— это зрение. Глазами человек воспринимает большую часть информации об
окружающем его мире в 100 раз больше, чем посредством слуха, не говоря уже
об осязании, обонянии и вкусе.
Далее человек заметил ”посторонний источник света” — солнце. Он
использовал огонь, а затем различные виды искусственных световых источников
для подачи сигналов. Теперь в руках человека был как световой источник, так
и процесс модуляции света. Он фактически построил то, что сегодня мы
называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей
передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник
(глаз). Определив в качестве модуляции преобразование механического сигнала
в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем
наблюдать в приемнике обратный процесс — демодуляцию: преобразование
оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в
приемнике.
Такая обработка может представлять собой, например, превращение
светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов
нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как
последнее звено цепи.
Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений,
является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он
хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего
мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они
следуют быстрее 16 раз в секунду.
Используют в качестве световых приемников технические устройства —
фотоэлементы или фотодиоды.
1
4
2
3
Простое световое переговорное устройство:
1–микрофон; 2,3–усилители; 4–телефон
Глава вторая
От спектра к когерентности
2.1 ЧТО ТАКОЕ СВЕТ?
Сегодня знание природы света углубилось незначительно. Физики сошлись
лишь во мнении о том, что свет объединяет в себе оба свойства:
корпускулярную природу и типичные свойства волнового процесса, которые
представляют внешние признаки одной и той же физической реальности.
2.2 ЦВЕТ, ДЛИННА ВОЛНЫ, ЧАСТОТА — ТРИ ХАРАКТЕРНЫХ ПАРАМЕТРА СВЕТА
Важным параметром света является его длина волны. Под этим
подразумевается расстояние между двумя положительными или отрицательными
максимумами последовательности колебаний.
Длина волны колебательного процесса непосредственно связана с его
частотой.
[pic] или [pic]
где [pic]– длина волны; [pic]– частота, 1[pic]или герц (сокращенно Гц).
2.3 СПЕКТРЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Чтобы понять различия источников света, которые применяются в качестве
передатчиков в устройствах оптической техники связи, остановимся прежде
всего на свойствах обычных источников света.
В обычной лампе накаливания не одна, а огромное количество различных
длин волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значения области
длин волн. Внутри этой области лежит основная доля энергии излучения. Длины
волн за пределами этой области изучаются слабо, т.е. являются длинами волн
с малыми составляющими мощности. Внутри области излучения (которая в лампе
накаливания простирается приблизительно от видимой желтой области да
невидимой инфракрасной) отдельные длины волн расположены так, что они не
различаются измерительными приборами. В этом случае говорят о непрерывном
спектре излучаемого света. Который, в свою очередь может стать спектром
поглощения, если вырезать участки длин волн из непрерывного спектра
излучения.
2.4 ЕСТЕСТВЕННЫЙ СВЕТ В ОПЫТАХ ПО ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
Для всех волновых процессов наиболее значительно и характерно явление
интерференции. Когда накладываются два волновых фронта с одинаковой фазой,
это означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно совпадают и оба
процесса складываются и усиливаются. Однако если между обоими процессами
имеется разность фаз или различие по расстоянию точно на половину длинны
волны, т. е. совпадает максимум одного колебания с минимумом другого и оба
имеют одинаковую мощность, то процессы гасят друг друга.
Свойство естественных источников света, которые никогда между собой не
интерферируют, так как их фазовые состояния постоянно претерпевают
случайные и быстрые колебания, называется некогерентностью. Хотя световые
лучи, как и радиоволны радиопередатчика, являются электромагнитными
колебаниями, только с гораздо меньшей длиной волны и соответственно более
высокой частотой, они отличаются от радиоволн именно свойством
некогерентности.
Радиопередатчики генерируют когерентное излучение. Положение фазы их
колебаний в течение длительного времени настолько постоянно, что приемные
устройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Без свойства
когерентности не могли бы функционировать мощные электрические системы
связи.
Глава третья
ТЕХНИКА ОПЕРЕЖАЕТ ПРИРОДУ
3.1 КАК ОБРАЗУЕТСЯ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ
Одиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и несинхронно, т.
е. независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.
Обратимся к атомной модели Бора, проложившей новые пути в развитии
физики и побудившей ученых к новым исследованиям природы светового
излучения. Исходным пунктом для этого был спектральный анализ газов. В
газовой трубке с двумя впаянными на концах электродами наблюдалось
свечение, когда к этим электродам прикладывалось напряжение. На экране
анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий на определенных
расстояниях, т. е. при определенных длинах волн. Расположение этих линий
зависело от состава газа, которым была наполнена трубка.
Швейцарский математик Бальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты
измеренных спектральных линий описываются следующим простым уравнением:
[pic]
где n, m – целые числа; R – константа, не зависящая от состава газа,
[pic]Гц
Спустя 26 лет после открытия Бальмера Нильс Бор установил
фундаментальную теоретическую связь между формулой Бальмера и элементарным
квантом излучения. Количественное значение кванта излучения [pic] было
найдено Максом Планком в 1900 г. Квант представляет собой величину, которая
интерпретирует энергию светового излучения как целое кратное определенным
минимально возможным порциям энергии hf, где f – частота энергии излучения.
Из ранее приведенных рассуждений вытекает знаменитая атомная модель Бора.
Вокруг тяжелого положительного ядра на определенных орбитах вращаются
легкие, отрицательно заряженные элементарные частицы – электроны. У
водорода – элемента с наиболее простым строением атома – имеется только
один электрон, который нормально вращается на ближайшей к ядру орбите.
Если к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть
поднят на следующую, более высокую орбиту. Радиусы орбит относятся согласно
Бору как квадраты целых чисел, т. е. как 1: 4: 8 и т. д. При этом для
каждого скачка между двумя орбитами требуется энергия, точно
соответствующая кванту Планка, тогда начальная орбита Бора остается без
электрона. Однако эти более удаленные от ядра орбиты не являются для
электрона стабильными. Он может пребывать там короткое время и затем
возвращается на первоначальную орбиту – прямо или “по ступенькам”. И
подобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую
орбиту, он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом
только целочисленными порциями, которые зафиксированы стабильными орбитами
(которые соответствуют определенным энергетическим уровням) в модели атома.
Освободившаяся энергия согласно уравнению Планка проявляется как излучение
определенных частот.
3.2 ЛАЗЕР КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Молекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально
неизменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с
одиночным атомом водорода. Прежде всего различия проявляются во влиянии
соседних атомов. Поэтому дискретные энергетические состояния, которые
следуют из наличия вышеописанных электронных орбит, как правило,
размываются. В связи с этим появляются определенные энергетические области
(энергетические зоны). Имеет также существенное значение, что отдельные
единичные переходы (с одного энергетического уровня на другой) более или
менее “запрещены”, т. е. они не должны иметь места (эти запреты надо
понимать не совсем буквально).
В качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней
ионов трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых
экспериментальных образцов лазера — в рубиновом лазере.
В этой связи отметим два таких энергетических уровня в атоме хрома:
основной уровень [pic] и состояние [pic]. Переход с уровня [pic] на
основной [pic], строго говоря, запрещен, т. е. электрон на уровне [pic] мог
бы быть устойчивым. Практически, однако, этого не происходит; находящийся
на уровне [pic] электрон может удерживаться в этом состоянии приблизительно
до 0,01 с. [В сравнении с длительностями пребывания в других нестабильных
состояниях [pic] это — длительное время.] Такое состояние называется
метастабильным, и это явление особенно важно в работе лазера: оно придает
метастабильному состоянию [pic] свойства накопителя энергии.
Если стержневидный рубиновый кристалл [pic] с добавлением ионов хрома
облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. Прежде всего
в результате подведенной световой энергии электроны с основного уровня
[pic] переносятся в энергетическую зону [pic] (не прямо, а через
неустойчивую энергетическую зону [pic], но это в данном случае
несущественно). Атом за счет этой внешней энергии теперь возбужден
“накачан”), более того, совокупность атомов достигла так называемой
инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Нижняя
энергетическая зона, обычно сильно населенная, в данном случае почти пуста,
напротив, более высокий уровень [pic], первоначально не сильно заселенный
электронами, теперь значительно ими занят. Но это состояние атомов, как уже
упоминалось, довольно устойчиво. Подведенная энергия накапливается.
С этого состояния начинается цепная реакция, подобная процессу в
генераторе с обратной связью, вызываемая случайным процессом излучения
энергии хотя бы одним из возбужденных атомов. Такой атом случайно переходит
из состояния [pic] в состояние [pic] и при этом отдает энергию излучения —
сравнительно короткую последовательность колебаний, но все же достаточную,
чтобы встретить на своем пути через стержневидный кристалл второй
возбужденный атом. Частота этого колебания определяется по закону Планка
разностью энергий [pic] и [pic] и соответствует длине волны приблизительно
694 нм или красному световому импульсу, находящемуся в видимой области
спектра.
Этот процесс называется индуцированным или стимулированным излучением.
Индуцированное колебание согласуется по частом и фазе с индуцирующим
колебанием таким образом, что с полным основанием можно говорить об
“усилении света индуцированной эмиссией излучения”. Отсюда произошло слово
LASER: light amplification by stimulated emission of radiation.
Если в установившемся режиме энергия излучения при прохождении сигнала
через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получается эффект
самовозбуждения такой же, как в генераторе с обратной связью. Единичное
спонтанное излучение связано с продолжительными непрерывными световыми
колебаниями в теле кристалла (поскольку в кристалле постоянно имеется
достаточное количество возбужденных атомов). Если нанести на одну из
торцевых поверхностей стержня полупрозрачный зеркальный слой, то часть
энергии излучения покинет кристаллический стержень в виде когерентного
светового излучения.
В первые годы твердотельные лазеры применялись главным образом в
импульсном режиме. В качестве источников света применялись лампы-вспышки,
которые периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными
световыми импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых
импульсов. В качестве примера, разработанного в то время лазера
непрерывного излучения можно назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG),
ядро которого представляет собой иттриево-аллюминиевый гранат [pic] с
примесью неодима. Основные линии энергии накачки лежат здесь в области
длин волн 750 — 810 нм, основной лазерный переход — на 1064 нм.
(Возбуждаемы также и другие переходы.)
3.3 ВЫСОКАЯ СТЕПЕНЬ КОГЕРЕНТНОСТИ ТРЕБУЕТ ЗАТРАТ
Описанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат является одним из многих
возможных материалов, применяемых в лазерах. Приемлемы также многие другие
материалы; требуется лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет
(флюоресцировать) и обладали метастабильным состоянием с возможно более
высокой устойчивостью или временем жизни. Возбуждение этого состояния
должно осуществляться с высоким КПД (что обусловливает относительно малую
мощность накачки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими
потерями.
Некоторые газы хорошо соответствуют перечисленным условиям, поэтому
можно построить так называемый газовый лазер. Один из наиболее известных
газовых лазеров использует в качестве активного материала смесь из гелия и
неона, где энергия возбуждения подводится в форме электрического разряда в
газе. В тонкой стеклянной трубке длиной от нескольких десятков сантиметров
до 1 м разряд зажигается между двумя электродами, впаянными в корпус
трубки. При этом во всем объеме возбужденного газа внутри трубки возникают
электроны, энергия которых служит для того, чтобы прежде всего перевести на
более высокий энергетический уровень атомы гелия, которые в свою очередь в
результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиеся в незначительном
количестве атомы неона. Эти атомы неона создают при описанном
синхронизированном обратном переходе в основное состояние индуцированное
излучение.
Техническим условием нарастания данного процесса в свою очередь
является наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получался
в описанном выше твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных
зеркальных слоев на обе торцевые поверхности кристалла. В газовом лазере
активный элемент конструктивно отличается от активного элемента
кристаллического лазера. Газоразрядная трубка сначала закрывается
наклеенными стеклянными концевыми пластинками и затем — оптически точно
выверенная — вносится в объемный резонатор, образованный двумя внешними
зеркалами. В современных небольших газовых лазерах применяют также
внутренние зеркала, располагаемые в газоразрядном пространстве. По крайней
мере одно из зеркал делается полупрозрачным, так чтобы часть света могла
покидать резонатор ((окно Брюстера().
Так как длина волны генерируемого лазером света определяется разностью
энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут
существовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно
излучение света различных длин волн. Так, лазер на He–Ne может
принципиально излучать на трех различных длинах волн. Чаще всего он
работает на длине волны 0,63 мкм. Эта длина волны соответствует красному
свету видимого диапазона. Наряду с ним имеются возбужденные, невидимые для
нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм. Какая из трех возможных волн покинет объем
резонатора, определяет конструктор лазера нанесением частотноселективной
пленки на зеркало.
|Параметр |Гелий–неоно|Аргоновы|[pic]-лаз|
| |вый |й |ер |
| |лазер |лазер |[pic] |
| |(He-Ne) |(Ar) | |
|Длина волны излучаемого |0,6328 |0,488 |10,6 |
|света, мкм |1,15 |0,515 |9,6 |
| |3,39 | | |
|Достигаемая выходная |[pic] |[pic] |[pic] |
|мощность, Вт | | | |
|КПД, % |0,01–0,1 |0,01–0,2|1–20 |
В таблице приведены наиболее известные газовые лазеры. Необходимо
подчеркнуть широту области изменения их параметров. Однако все газовые
лазеры имеют существенное преимущество: высокую когерентность излучения,
которому вначале придавали большое значение, оказалось при близком
рассмотрении ненужным. Гораздо важнее когерентности для световой передачи
сообщений оказалась простота возможности модуляции света, и как раз здесь у
газового лазера оказались слабые стороны.
Модуляция газового лазера создается путем управления интенсивностью
газового разряда. Этим достигается модуляция энергии выходящего излучения
лазера. Однако скорость модуляции ограничена инерционностью газового
разряда; наивысшая достижимая ширина полосы модуляции лежит в пределах
нескольких тысяч герц, поэтому представляет собой малый интерес для техники
связи.
3.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Кроме названных существенными недостатками газового лазера являются
его размеры, механическая непрочность, высокие, требуемые для газового
разряда рабочие напряжения и, наконец, ограниченный срок службы,
обусловленный недолговечностью газоразрядной трубки. Все эти свойства
исключают применение газового лазера в современной системе связи, тем более
если учесть прогрессирующее развитие полупроводниковой техники и особенно
микроэлектроники. Относительно большие электронные лампы, которые еще
господствовали в технике приборостроения 60-х годов, сегодня за редким
исключением исчезли и представляют только исторический интерес.
Полупроводниковый прибор господствует в широкой области электроники,
требует невысоких рабочих напряжений и меньших (на несколько порядков)
мощностей.
К этой элементной базе может быть отнесен только один источник света,
который также построен на принципах полупроводниковой техники и
изготовляется по такой же или аналогичной технологии, — полупроводниковый
лазер.
Полупроводниковый лазер отличается от газового и твердотельного
лазеров способом возбуждения. Он накачивается не световой энергией, а
непосредственно электрической. К одному из p-n переходов, известных из
полупроводниковой техники, прикладывается напряжение в направлении
проводимости. Оно вызывает ток и путем нарушения равновесия носителей
зарядов (электронов и дырок) — желаемую инверсию населенностей
энергетических зон в области р-n перехода. Таким образом, полупроводник
накачан, он запас энергию.
Если спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного
состояния атомов в основное состояние (рекомбинация носителей заряда), то
излучаемый свет будет некогерентен. Его мощность тем выше, чем больше
прикладываемое напряжение, чем больше ток через p-n переход и чем больше
число возбужденных атомов. В этом состоянии такой прибор еще не лазер, а
светоизлучаючий диод.
Однако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе
при наличии обратной связи будет достигнуто такое усиление, когда будет
выполняться условие самовозбуждения, являющееся предпосылкой стабильного
излучения. При этом так называемом пороговом токе диод начинает
генерировать лазерное излучение, это означает, что выходящий свет
синхронизирован по фазе и когерентен. Теперь с возрастанием тока его
мощность увеличивается приблизительно пропорционально току.
В твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных
поверхностей для образования оптических резонаторов. В полупроводниковом
лазере объем резонатора много меньше: p-n переход, в области которого
образуется индуцированное излучение, имеет толщину менее 1 мкм и ширину
несколько десятков микрометров. Крепление зеркал при таких габаритах
затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень высокий
коэффициент преломления арсенида галлия (GaAs), который сегодня применяется
в качестве основного материала для светоизлучающих диодов, позволяет
реализовать функцию отражения в самом кристалле. Так, если разломить
кристалл полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности
излома работают аналогично отражателям оптического резонатора.
Глава четвертая
УТОПИЯ И РЕАЛЬНОСТЬ
4.1 ФАНТАСТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Когда к началу 60-х годов появились первые пригодные к эксплуатаций
лазеры, стало очевидным, что свет предстал в новом качестве — когерентное
электромагнитное колебание на несколько порядков раздвинуло границы
применяемого в технике связи диапазона частот. Оптимистические расчеты едва
или можно было опровергнуть: длины волн около 1 мкм соответствуют частоте
[pic] Гц. Если приняты лишь 1% этого значения в качестве ширины полосы
сигнала, которыми можно модулировать данное колебание, то получим значение
3000 Ггц. Это соответствовало бы приблизительно миллиарду телефонных
разговоров или миллиону телевизионных программ, которые можно было бы
передать одним единственным световым лучом! Известно, что самый лучший и
самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва ли
одной тысячной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне
необходимо будет передавать информацию очень большого объема. Число
телефонных абонентов в мировой телефонной сети постоянно и неудержимо
растет, а растущие хозяйственные и промышленные отношения между странами и
континентами требуют все больше качественных каналов связи. Когда же в
сферу рассмотрения перспективных проектов включили возможность
использования видеотелефона (а передача одного-единственного изображения
требует почти тысячекратной пропускной способности по равнению с телефонным
сигналом), то стало необходимым считаться с сильно возросшей потребностью в
каналах передачи информации.
4.2 МОДУЛЯЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Горизонтально натянутая струна соответствующим возбуждением на одном
конце приводится в колебательное состояние. Волна распространяется вдоль
струны и может быть зарегистрирована на другом конце. Такая механическая
волна может быть понята как модель световой волны, которая движется от
источника света к приемнику. Горизонтально натянутая струна может быть
возбуждена по-разному — отклонение струны может происходить или в
вертикальной, или в горизонтальной плоскости. Когда речь идет о световой
волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говорят в первом случае о
вертикальной, а во втором случае – о горизонтальной поляризации волны.
Если горизонтальная и вертикальная компоненты появляются в определенной
временной последовательности, то это приводит к круговой поляризации
электромагнитных колебаний. Для приемника колебаний на другом конце линии
это тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. Так же как
и человеческий глаз, он не реагирует на плоскость поляризации света и
регистрирует только мощность света (в модели — степень отклонения струны);
он не различает горизонтальную и вертикальную поляризацию света. Однако
имеются оптические элементы, которые реагируют на поляризацию света. Их
называют поляризационными фильтрами. Будучи поставлены в определенном
положении относительно направления распространения луча, они становятся
светопроницаемыми для определенного вида поляризации, для света же с
направлением поляризации, повернутым на [pic], они, напротив, почти
полностью непроницаемы. Только когда сам фильтр поворачивают на такой же
угол (вокруг оси направления распространения света), он пропускает свет
второго вида поляризации, преграждая при этом путь первому.
Этот эффект применяется для модуляции световых лучей, когда имеется
возможность изменять плоскость поляризации света желаемым образом, в
соответствии с изменением модулирующего (передаваемого) сигнала.
Осуществить такую модуляцию можно с использованием известного
электрооптического эффекта: если послать луч света через кристалл
определенного состава и к нему перпендикулярно направлению распространения
света приложить электрическое поле, то плоскость поляризации света тем
больше поворачивается в зоне действия поля, чем выше его напряженность, т.
е. чем выше приложенное для создания поля напряжение.
Для этой цели подходят монокристаллы дигидрофосфат аммония [pic] и
дигидрофосфат калия [pic], коротко они обозначаются как ADP или KDP
кристаллы.
Описанным эффектом объясняется механизм действия электрооптического
модулятора. Свет, покидающий газовый лазер, попутно может быть поляризован
устройством в разрядной трубке оптического окна, расположенного под углом
Брюстера. Поляризация может быть осуществлена также и с помощью
поляризационного фильтра.
Линейная модуляция прежде всего преобразуется в круговую модуляцию с
помощью так называемой четвертьволновой пластинки. В кристалле ADP эта
модуляция в зависимости от сигнала становится более или менее
эллиптической. На выходе поляризационного фильтра затем получается свет,
модулированный по интенсивности. Если к электродам кристалла не приложено
напряжение, то направление поляризации в кристалле не меняется и ориентация
подключенного поляризационного фильтра соответствует плоскости поляризации
света, выходящего из лазера (или после модулятора), причем свет проходит
через все устройство практически неослабленным. Но если напряжение на
электрооптическом кристалле повышается и при этом увеличивается угол
поляризации выходящего света, то через поляризационный фильтр проходит
уменьшающаяся часть света. При изменении поляризации на [pic] второй фильтр
полностью поглощает излучение и на выходе устройства образуется темнота.
Подобные модуляторы подходят также для очень быстрых изменений
прилагаемого модулирующего напряжения. Они преобразуют передаваемый сигнал
в полосе выше 1 ГГц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими
методами.
Модуляция интенсивности лазерного излучения без модуляции направления
поляризации несомненно представляла бы собой технически более изящное
решение. Кроме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней
модуляции лазера) можно реализовать другие варианты. Кристалл можно было
бы, например встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись
значительно меньшей мощностью модулирующего сигнала (внутренняя модуляция).
Тем самым устранялся бы существенный недостаток кристаллических
модуляторов, обладавших в целом хорошими модуляционными характеристиками:
потребность в больших напряженностях управляющего поля и соответственно
высоких управляющих напряжениях (до нескольких сотен вольт).
В результате развития лазерной техники выяснилось, что для инженера
простая модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Недостатки
газового лазера, включая сложную модуляцию его излучения, уравновесили в
системах связи потери в приемнике прямого усиления. Поэтому газовый лазер в
основном исчез с рабочих столов инженеров по оптической технике связи и
освободил место инжекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с
учетом ряда их недостатков, которые можно было устранить только в процессе
последовательной неустанной работы по их совершенствованию.
4.3 КАК ПЕРЕДАЮТ СВЕТ?
Когда задача быстрой модуляции излучения газового лазера не была еще
как следует решена, все же была ясна ее принципиальная возможность. Однако
в 60-е годы еще нельзя было твердо сказать о решении важной проблемы —
проблемы передачи модулированного света от одного места к другому. Только в
космосе передача представляется сравнительно простой, поскольку свет в нем
распространяется без ослабления. Когда удается очень сильно сфокусировать
свет, т. е. получить пучок света толщиной с иглу (а это возможно для
когерентного света), то можно в полном смысле слова перекрыть
астрономические расстояния. (Правда, мы не говорим о скрытой стороне этого
положения. Необходимо послать необычайно узкий световой луч и достигнуть
далеко отстоящий пункт с максимально возможной световой мощностью, поэтому
требуется очень высокая стабильность расположения передатчика, и положение
приемника должно быть точно известно.)
Что касается свойств атмосферы как передающего канала для
модулированных световых лучей, то она является, очевидно, ненадежной средой
с сильно изменяющимся и значительным ослаблением.
Несмотря на эту не совсем ободряющую ситуацию приблизительно с 1965 по
1970 г. были испытаны все средства при рассмотрении возможностей техники
оптической связи в атмосфере. Были созданы довольно простые и дешевые
размером с портфель приборы, которые позволили осуществить передачу через
атмосферу телевизионного изображения.
Если сравнить средние значения по многим измерениям, то можно
установить: атмосферная оптическая связь рационально применима только в
специальных редких случаях и только для очень коротких расстояний при
весьма незначительных количествах передаваемой информации. Если речь идет
только о единственном телефонном канале, то можно перекрыть несколько
километров с надежностью линии передачи, равной 95 %. (Никакое управление
связи и никакие телефонные абоненты не смирились бы с этим!) Приблизительно
в 5% времени такая линия связи прерывается из-за погоды. Высокая надежность
оптической связи в атмосфере может быть достигнута только в результате
сильного уменьшения длины участка.
Следующей была мысль о вакуумированной или наполненной инертным газом
трубе, которую хотели прямолинейно проложить на большие расстояния и в
которой луч света должен был распространяться, не ослабляясь в газах и из-
за твердых частиц. Оптимисты говорили даже о (совместном использовании
протяженных газопроводов(.
Эта идея также не смогла выдержать сурового испытания. Строго
прямолинейная прокладка была утопией.
Дальнейшее усовершенствование привело к так называемым линзовым
световодам. Если в трубе на расстоянии приблизительно 100 м применить
стеклянные линзы диаметром около 10 см с определенным показателем
преломления, то можно доказать, что световой луч, входящий в трубу даже при
не строго параллельном относительно оси пробеге, постоянно будет
возвращаться к середине трубы (к оптической оси) и не покинет систему линз.
С помощью такой конструкции можно также добиться искривления хода луча.
Этот проект был исследован и экспериментально испытан. Но оказался довольно
сложным т. к. даже сложных устройств, которые автоматически управляли
положением отдельных линз, оказалось недостаточно, чтобы компенсировать
отклонения луча, вызванные температурными колебаниями и движением земной
коры. Варианты этой идеи исследовались долгие годы. Лаборатории фирмы Bell
в США заменили механически регулируемые стеклянные линзы газовыми линзами.
Это короткие отрезки газонаполненной трубки с внешним электрическим
нагревом, в которых за счет перестраиваемых радиальных температурных
градиентов можно было достигнуть требуемой фокусировки луча по центру
трубы. Но эти работы также не привели к успеху.
4.4 РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ПРИ ПОЛНОМ ОТРАЖЕНИИ
Все вышеперечисленные этапы развития были пройдены, хотя простой
способ передачи света был давно известен: передача луча по обыкновенному
стеклянному стержню, который окружен средой с малым показателем преломления
(например, воздухом). Световые лучи, проходящие внутри стеклянного стержня
под небольшим углом к его оси, покидают его; они полностью отражаются от
стенок стержня и зигзагообразно (или винтообразно) распространяются вдоль
него, пока, наконец, не выйдут на конце даже в том случае, когда стеклянный
стержень не прямолинеен, а изогнут.
Это явление было использовано для того, чтобы подвести через
многократно изогнутый стеклянный или пластмассовый стержень свет лампы
накаливания внутрь оптических приборов, в труднодоступные места с целью
освещения или индикации.
Интересный вариант применения имеется в медицине: светопроводящий
волоконный жгут, состоящий из множества волосяных световодов, благодаря
чему достигнута такая гибкость, при которой жгут может быть введен в
полости человеческого тела. Удалось даже изготовить так называемые
упорядоченные жгуты: каждое отдельное светопроводящее волокно на конце
жгута находилось точно на том же месте поперечного сечения, как и на
противоположном конце жгута. Эти упорядоченные жгуты делают возможным
передачу изображения при условии его освещения.
Световодное волокно существовало уже в начале 60-х годов,
упорядоченные и неупорядоченные жгуты были изготовлены многими ведущими
оптическими фирмами и внедрены в технику и медицину. Но у них имелся
существенный недостаток, который делал их с самого начала не применимыми
для передачи сообщений. Их пропускная способность была слишком мала для
применения в ряде технических областей. Простой расчет указывает на это.
Обычное оптическое стекло обладает ослаблением света приблизительно от 3 до
5 дБ/м (при измерении в соответствующем диапазоне волн). Отношение
мощностей [pic] измеряется в технике связи в децибелах (дБ). Коэффициент
ослабления в децибелах равен [pic]. Ослабление светового сигнала в 20 дБ
означает уменьшение световой мощности в 100 раз, ослабление в 3 дБ —
уменьшение мощности вдвое.
Среди отобранных для технических целей стекол можно найти образцы с
несколько лучшими значениям ослабления (от 0,4 до 0,8 дБ/м), а для
кварцевых стекол можно достигнуть 0,2 – 0,3 дБ/м. Но даже при использовании
кварцевых стекол на каждых 100 м длины световода подведенная световая
мощность падает на 30 дБ, т. е. в 100 – 1000 раз. Основная часть света
поглотилась бы световодом, превратилась бы в теплоту или была рассеяна
через боковую поверхность световода.
Хотя ослабление в медных проводниках не многим ме | |
