Кількість інформації у всесвітній мережі постійно зростає. Мережі, у яких використовуються мідні провідники, вже не можуть повністю задовільнити потреби користувачів. На зміну їм прийшли мережі на основі оптичних волокон.

Спочатку концепція передачі світлового потоку була розроблена Деніелем Колладоном (Daniel Colladon) у 40-х роках ХІХ століття.

Він продемонстрував дослід зі світлом, що поширюється через «параболічний рідкий потік» (елементарний струмінь води). На рисунку зображений загальний вигляд досліду Д. Колладона: з посудини з одного боку виливається струмінь води, а з іншого боку – цей струмінь підсвічується променем світла, що сфокусований лінзою від електричної лампи. В результаті струмінь води, що виливається з посудини, світиться по усій своїй довжині за рахунок повного внутрішнього відбивання світлового променю.

1934 року Норман Френч (Norman French) запропонував модулювати голос світлом і передавати його стержнями з чистого скла. Реалізація цього проекту в 1930-х не відбулася через неможливість створити у ті часи надчистий матеріал та потрібне джерело світла.

Розробка самого оптоволокна почалася дещо пізніше. 1954 року фізики Наріндер Сингх Капані (Narinder Singh Kapany) та Гарольд Г. Хопкінс (Harold Horace Hopkins) з Англії і Абрахам Ван Хіл (Abraham van Heel) з Голландії одночасно оголосили про створення оптично-волоконного кабелю. В основі волоконно-оптичного зв'язку було покладене явище повного внутрішнього відображення електромагнітних хвиль на межі розділу діелектриків з різними показниками заломлення.

Принципово стало зрозумілим, що оптичне волокно має складатися з двох елементів – серцевини, що є безпосереднім світлопровідником, і оболонки. Показник заломлення серцевини дещо більший за показник заломлення оболонки, завдяки чому промінь світла поширюється в серцевині, не покидаючи її. Оптоволокно було тоді не зовсім якісним і мало великі втрати світла, тому розробки щодо його вдосконалення продовжилися. Саме Н.С. Капані першим запропонував 1956 року ввести назву «оптичне волокно». Тоді ж А.В. Хіл виявив, що покриття волокна/скла/пластика прозорою оболонкою значно зменшує втрати світла і різні наведення.

Надалі зусилля інженерів і дослідників були зосереджені на поліпшенні характеристик оптичного волокна. У кінці 1950-х років Лоуренс Кертіс поліпшив конструкцію оптоволоконного кабелю, обробивши його зсередини скловолоконною оболонкою.

Наступною великою подією, яка послужила початком розвитку волоконно-оптичних ліній зв’язку, стало винайдення лазера в другій половині 20-го століття. 1962 року був виготовлений перший прототип напівпровідникового лазера (які й використовуються в лініях оптоволоконного зв'язку). Передавач був виготовлений, проте середовище передачі ще було відсутнє. Того ж року вийшла стаття Чарльза Као, де він запропонував використати скловолокно (оптоволокно) для передачі сигналу і позначив мінімальні вимоги до загасання (на той момент це було 20 dB/km).

1966 року Ч. Као і Хокам представили оптичні волокна зі звичайного скла, які мали загасання в 1000 дБ/км (для порівняння: загасання в коаксіальному кабелі складало всього 5-10 дБ/км) через домішки, що в них містилися. Співробітник британської компанії Standard Telecommunication Laboratories (STL), китаєць за походженням Чарльз Као (народився в 1933 році в Шанхаї) взявся досліджувати питання загасання сигналу в оптоволокні. Зібравши всі можливі зразки матеріалів для виготовлення волокна, він прийшов до важливого висновку, що загасання залежить тільки від ступеня чистоти самого скла. Саме за ці дослідження Ч. Као 2009 року отримав Нобелівську премію з фізики.

Не минуло і 10 років, як фахівці лабораторії Corning отримали скловолокно із загасанням менше 20 дБ/км за довжини хвилі 633 нм, яке задовольняло необхідні умови, запропоновані Чарльзом Као. Зауважимо, що зараз такі величини здаються несумісними з передачею даних, однак тоді вони здавалися прийнятними для організації зв'язку по волокну. Після прориву у виробництві оптоволокна відразу ж з'явилися (на той момент в лабораторних умовах) напівпровідникові лазери, здатні працювати за кімнатної температури.

Після інтенсивних досліджень у період з 1975 по 1980 рік з'явилася перша комерційна волоконно-оптична система, що оперувала світлом з довжиною хвилі 0,8 мкм і використовувала напівпровідниковий лазер на основі арсеніду галію (GaAs). Бітрейт систем першого покоління складав 45 Мбіт/с, відстань між повторювачами – 10 км.

22 квітня 1977 року в Лонг-біч, штат Каліфорнія, компанія General Telephone and Electronics уперше використала оптичний канал для передачі телефонного трафіку на швидкості 6 Мбіт/с.

Друге покоління волоконно-оптичних систем було розроблене для комерційного використання на початку 1980-х. Вони оперували світлом з довжиною хвилі 1,3 мкм від InGaAsP- лазерів. Проте такі системи все ще були обмежені через розсіювання, що виникало в каналі. Проте вже у 1987 році ці системи працювали на швидкості до 1,7 Гбіт/с за відстані між повторювачами в 50 км.

Прокладання першої у світі трансокеанської волоконно-оптичної лінії зв'язку було завершено в 1988 році (між Японією і США), її довжина склала близько 10 тисяч кілометрів. Перший трансатлантичний телефонний оптичний кабель (TAT - 8) був введений в експлуатацію також в 1988 році. У його основі лежала оптимізована Е. Дезюрвіром (E.Desurvire) технологія лазерного посилення. TAT - 8 розроблявся як перший підводний волоконно-оптичний кабель між Сполученими Штатами і Європою.

Розробка систем хвилевого мультиплексування (технологія, що дозволяє одночасно передавати декілька інформаційних каналів по одному оптичному волокну на різних частотах) дала можливість у декілька разів збільшити швидкість передачі даних по одному волокну. Таким чином, до 2003 року завдяки застосуванню технології спектрального ущільнення було досягнуто швидкості передачі в 10,92 Тбіт/с (273 оптичні канали по 40 Гбіт/с). У 2009 році лабораторії Белла за допомогою мультиплексування 155 каналів по 100 Гбіт/с вдалося передати дані із швидкістю 15,5 Тбіт/с на відстань 7000 км.

Дослідники з Саутгемптонського університету (Англія) змогли передати 73.7 Тбіт/с майже зі швидкістю світла у вакуумі за допомогою створеного ними оптоволокна із порожнистою серцевиною.

Завдяки використанню ефекту фотонних заборонених зон, їм вдалося надійно «замкнути» світло всередині волокна, досягнувши небаченого раніше для порожнистих волокон поєднання рівня загасання сигналу (3.5 дБ/км), смуги пропускання (160 нм) і можливості спектрального ущільнення каналів (37 40-гігабітних каналів на одне волокно). Швидкість поширення сигналу склала 99.7% швидкості світла у вакуумі, або майже у півтора рази більше, ніж у звичайному оптоволокні.

Які ж основні переваги та недоліки оптично-волоконних мереж. Основною перевагою передачі інформації по оптичному каналу є те, що по одній жилі інформація може передаватися в широкому спектрі діапазонів. На додаток до всього, використання «спектрального ущільнення каналів» дозволило істотно збільшити загальну пропускну спроможність існуючих ліній оптичного зв'язку. В результаті: за допомогою всього однієї жили оптичного волокна можна замінити до шестисот пар жил мідного дроту.

Інші переваги використання оптичного кабелю можна назвати такі:

• висока стійкість до перешкод, в порівнянні з електричним кабелем;
• практично повна відсутність впливу окремих жил кабелю одна на одну;
• велика пропускна здатність;
• відсутність перешкод при передачі інформації;
• захищеність каналу: вкрай складно підключитися до каналу передачі даних без його істотного ушкодження;
• збільшення відстаней передачі інформації без використання підсилювачів сигналів;
• загальна безпечність (у першу чергу пожежна) оптичних кабелів у разі розриву.

В той же час є і ряд недоліків оптично-волоконних кабелів, серед яких можна відмітити :

• підвищену ламкість оптичних кабелів за надлишкового вигину;
• труднощі при ремонті ліній;
• залежність затухання сигналу від кількості з’єднань між волокнами.

Майже всі оптоволоконні кабелі мають зображену на рисунку конструкцію:

1. центральний силовий елемент (прутик із склопластика, хоча може бути і тросик в поліетиленовій оболонці). Слугує для центрування трубок-модулів, надання жорсткості всьому кабелю. За нього також часто закріпляють кабель в муфті/кросі, затискаючи під гвинт. За сильного вигину кабелю може зламатися, пошкоджуючи при цьому модулі з частиною волокон. У кабелях із досконалішою конструкцією цей прутик має поліетиленову оболонку: тоді його важче зламати і руйнувань у кабелі він при переломі причинить менше.
2. оптичні волокна – більш поширені скляні волокна, хоча існують і пластикові, але вони — екзотика, не варяться апаратами для зварювання оптики (лише механічне з’єднання) і придатні лише на дуже малих відстанях. Оптичні волокна бувають одномодові і багатомодові. Волокно складається із скляної «оболонки» зі скла з певними домішками. Без лаку волокно має товщину 125 мкм, а в центрі його – серцевина діаметром 9 мкм з надчистого скла з дещо іншим від оболонки показником заломлення. Зверху 125-мікрометровий циліндр «оболонки» вкритий іншою оболонкою — із особливого лаку (прозорого або кольорового — для кольорового маркування волокон). Він захищає волокно від навмисних пошкоджень. Без лаку волокно може розкришитись навіть від ваги мобільного телефону, лаковане волокно можна навіть намотати на олівець та доволі сильно смикнути. Буває таке, що було пошкоджено зовнішню оболонку та броню, зламався центральний стержень, а 16 волокон утримують вагу кабелю та навіть витримують вітрові навантаження. Проте навіть лаковані волокна можна легко пошкодити. Волокон буває багато видів: звичайне (SMF або просто SM), зі зміщеною дисперсією (DSF або просто DS), з ненульовою зміщеною дисперсією (NZDSF, NZDS або NZ). На вигляд розрізнити їх не можна, різниця – у хімічному/кристалічному складі і, можливо, у геометрії центрального сердечника та плавності межі між ним і оболонкою. По волокнах зі зміщеною дисперсією можна передавати сигнал без спотворень далі, ніж по звичайних. Часто в першому модулі містяться волокна зі зміщеною дисперсією, в інших – звичайні.
3. пластикові трубочки-модулі, в яких плавають волокна в гідрофобному гелі. Зазвичай містять 4-12 волокон. Інформація про модулі кабелю та їх вміст подається у паспорті до нього. Буває, що з усього кабелю зайнято лише один чи два модулі, тоді замість інших модулів закладають чорні заглушки (щоб габаритні параметри кабелю не змінились).
4. плівка, що огортає модулі – знижує тертя всередині кабелю, додатково захищає від вологи, утримує всередині гідрофобний гель.
5. тонка внутрішня поліетиленова оболонка – додатково захищає від вологи.
6. броня – може бути з кевларових ниток або скловолокна (підвісний кабель), прямокутного чи круглого дроту (для прокладання під землею або на ЛЕП) або гофрованого металу (для захисту від гризунів). Кабелі для внутрішнього прокладання можуть не мати броні. Кабелі для підводного прокладання мають складну багаторівневу броню.
7. зовнішня товста оболонка з поліетилену – м’яка, тому часто пошкоджується під час закладання кабелю або в процесі експлуатації. Між зовнішньою оболонкою та бронею може бути шар поліетиленової плівки та гідрофобного гелю.

Як і до будь-яких інших інформаційних магістралей, до оптично-волоконних мереж можливий несанкціонований доступ – процес, при якому безпека передачі інформації оптичним каналом порушується вставкою або «витяганням» світлової інформації. Підключення до оптоволокна може бути інтрузивним або неінтрузивним. Перший метод вимагає перерізання волокна і під'єднання його до проміжного пристрою для знімання інформації. При використанні неінтрузивного методу, підключення виконується без порушення потоку даних і перерви у наданні сервісу. Розглянемо основні типові методи несанкціонованого доступу до оптично-волоконних ліній зв’язку.

Згинання волокна– при цьому методі підключення, кабель розбирається до волокна. Цей спосіб ґрунтується на принципі поширення світла через волокно за допомогою повного внутрішнього відображення. Для досягнення цього способу кут падіння світла на перехід між власне ядром волокна і його оболонкою має бути більший, ніж критичний кут повного внутрішнього відображення. При згинанні волокна, воно викривляється так, щоб кут відображення став меншим від критичного, і світло почало проникати через оболонку.

Мікрозгин – докладання зовнішнього зусилля приводить до гострого, але при цьому мікроскопічного викривлення поверхні, що призводить до осьових зміщень на декілька мікрон і просторового зміщення довжини хвилі на декілька міліметрів. Через цей дефект проникає промінь світла, і він може використовуватися для знімання інформації.

Макрозгин – для кожного типу волокна існує мінімально допустимий радіус вигину. Ця властивість також може використовуватися для знімання інформації – якщо волокно згинається при меншому радіусі, то можливий пропуск світла, достатній для знімання інформації. Зазвичай мінімальний радіус вигину одномодового волокна складає 6.5-7.5 см, за винятком волокна спеціального типу.

Оптичне розщеплювання – оптоволокно вставляється в сплітер, який відводить частину оптичного сигналу. Цей метод є інтрузивним, оскільки вимагає розрізання волокна, що спричинить спрацювання тривоги. Проте невиявлене підключення такого типу може працювати роками.

Використання неоднорідних хвиль (Evanescent Coupling) – цей спосіб використовується для перехоплення сигналу від волокна-джерела у волокно-приймач за допомогою акуратного полірування оболонок до поверхні ядра і потім їх поєднання. Це дозволяє деякій частині сигналу проникати в друге волокно. Цей спосіб важко реалізувати в польових умовах.

V- подібний виріз (V Groove Cut) – це спеціальна виїмка в оболонці волокна близька до ядра, зроблена таким чином, що кут між світлом, що поширюється у волокні, і проекцією V-вирізу більший, ніж критичний. Це викликає повне внутрішнє відображення, при якому частина світла буде проходити з основного волокна через оболонку і V-подібний виріз.

Розсіювання – на ядрі волокна створюється решітка Брега, за допомогою якої частина сигналу відображається з волокна. Це досягається накладанням та інтерференцією УФ-променів, що створюються лазером з УФ збудженням.

Обробка несанкціоновано отриманого сигналу проводиться або відразу на місці, або з використанням передачі отриманої інформації у спеціалізований центр.

 

 Є три основні категорії методів захисту оптично-волоконних ліній від стороннього проникнення:

1. Спостереження за кабелем: будь-яке під’єднання до кабелю забирає частину оптичного сигналу, тому для виявлення підключень можна використовувати оптичні рефлектометри. За їх допомогою можна визначити відстань, на якій відбулась втрата сигналу.
2. Застосування надгнучкого волокна – воно більш стійке до втрат сигналу через згинання, проколювання, перекручування та інші механічні впливи на волокна.
3. Використання шифрування: використання IPsec (шифрування третього рівня) та CDMA (шифрування другого рівня) не запобігає перехопленню повідомлень, проте забезпечує достатній рівень таємності.

Отже, у цьому повідомленні ми розглянули історію розвитку оптоволокна та волоконно-оптичних кабелів, завдяки чому нам вдалося простежити ланцюг відкриттів, які дали можливість створити волоконно-оптичні лінії зв’язку (ВОЛЗ). Можна стверджувати, що винайдення ВОЛЗ стало основним поштовхом до розвитку інтернету в такому вигляді, до якого ми звикли. Крім того, ми дослідили склад оптоволоконних кабелів, з’ясували їх різновиди та призначення структурних елементів, проаналізували переваги та недоліки використання оптоволоконних кабелів у комунікаційних мережах, а також описали основні способи несанкціонованого зчитування інформації з ВОЗЛ та методи запобігання «крадіжкам» інформації з оптично-волоконних мереж.

У розвитку оптоволоконних систем можна виділити такі найважливіші події:

1. Дослід Колладона (40-і роки ХІХ століття) з параболічним рідким потоком показав можливість передачі світла між двома точками не по прямій лінії.
2. Абрахам Ван Хіл (1956 рік) виявив, що вкриття оптоволокна оболонкою з нижчим коефіцієнтом заломлення світла значно зменшує затухання сигналу.
3. Винайдення напівпровідникового лазера (1962 рік) дало необхідне джерело світла для передачі сигналу.
4. Вдосконалення оптоволокна та лазерів (кінець 1960-х – початок 1970-х років – дослідження Ч. Као) дало змогу значно збільшити пропускну здатність волокна та відстань для передачі сигналу.
5. Розробка систем хвилевого мультиплексування (2009 рік – лабораторія Белла) – технологія, що дозволяє одночасно передавати декілька інформаційних каналів по одному оптичному волокну на різних частотах
6. Розробка порожнистого волокна (2013 рік – дослідження у Саутгемптонському університеті (Англія)) зменшила залежність швидкості поширення сигналу від матеріалу самого волокна.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. 5 изобретений, за которые надо благодарить 1950-е [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://www.hwp.ru/articles/5_izobreteniy_2C_za_kotorie_nado_blagodarit_1950_e_75395/.
2. Волоконно-оптический кабель [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: https://ru.wikipedia.org/wiki/Волоконно-оптический_кабель.
3. Волоконно-оптическая связь [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: https://ru.wikipedia.org/wiki/Волоконно-оптическая_связь.
4. История развития оптоволоконных линий связи [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://www.rebico.ru/articles/historylinessvyazi.html.
5. Плюсы и минусы оптического кабеля [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://www.infosvyaz.net.ua/news?news_id=18.
6. Полое оптоволокно позволяет снизить задержку распространения сигнала почти в полтора раза [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://habrahabr.ru/post/174225/.
7. Сварка оптических волокон. Часть 1 [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://habrahabr.ru/post/193146/.
8. Скрытное подсоединие к оптоволокну: методы и предосторожности [Електронний ресурс] – Режим доступу до ресурсу: http://habrahabr.ru/post/176677/.

Повідомлення підготував студент ІІІ курсу спеціальності інформатика Міхав Володимир Володимирович у межах звіту про вивчення курсу «Історія науки і техніки» (викладач – професор Р.Я.Ріжняк).