Ewolucja światłowodowa

Idea komunikacji z wykorzystaniem promienia świetlnego ma swoje początki jeszcze w XIX w., kiedy to ok. 1880 r. wynalazca telefonu Aleksander Graham Bell przeprowadził pierwsze udane próby transmisji informacji za pomocą modulatora optycznego własnego pomysłu, zwanego "fotofonem". Za jego pośrednictwem światło słoneczne, odbite od polerowanych luster i modulowane informacją wejściową, można było odbierać w zasięgu wzroku – do ok. 200 m od urządzenia modyfikującego strumień światła.

Za początek historii optyki światłowodowej można jednak uznawać doświadczenie przeprowadzone w 1870 r. przed British Royal Society przez irlandzkiego fizyka Johna Tyndalla, który jako pierwszy zademonstrował uwięzienie światła w strumieniu wody wytryskującym z napełnionego naczynia. Sam przekaz informacji w ten sposób był jednak mało praktyczny.

Komunikacja optyczna za pomocą zwykłego niespójnego światła widzialnego o długości falowej od 380 nm do 780 nm znana więc była od dawna, lecz dopiero badania podstawowe nad korpuskularno-falową naturą światła – prowadzone w latach 60. XX w. – umożliwiły modulację światła laserowego sygnałem cyfrowym i uzyskanie pierwszych przekazów informacji za pomocą przezroczystego medium, co stało się podstawą rozwoju transmisji światłowodowej.

Pod koniec lat 60. amerykańska firma Corning Glass jako pierwsza na świecie wyprodukowała medium transmisyjne w postaci włókna szklanego o tłumieniu mniejszym niż 20 dB/km (długość fali 850 nm), nadającego się do transmisji sygnałów optycznych na niezbyt dużych odległościach – w zasięgu kilku km. W ten sposób powstała w latach 70. pierwsza generacja światłowodowa, zapoczątkowana przez dwa znaczące osiągnięcia technologii optycznej. Pierwszym z nich było opanowanie produkcji włókna kwarcowego na tyle czystego, by jego tłumienność nie przekraczała 4 dB/km przy długości fali świetlnej poniżej 1µm, a drugim – wcale nie mniej ważnym – konstrukcja lasera półprzewodnikowego, opartego na krysztale arsenku galu GaAs i działającego w temperaturze pokojowej, bez potrzeby chłodzenia.

Od tamtego czasu rozwój technologii optycznej nabrał gwałtownego przyspieszenia. W kilka lat później przebadano i ustalono trzy okna o dobrej przewodności w światłowodach kwarcowych, wszystkie z zakresu częstotliwości bliskiej podczerwieni, o długości fali od 850 nm do 1550 nm, oraz opracowano źródła światła odpowiednie do stosowania w transmisjach optycznych. Od pierwszych eksperymentalnych przekazów świetlnych minęło więc prawie 100 lat, zanim praktycznie rozwinęła się właściwa komunikacja optyczna z zastosowaniem przewodzącego światło włókna krzemowego. Dopiero pod koniec XX w. nastąpił przełom w badaniach i określeniu wielu innych zjawisk zachodzących w światłowodach, oprócz podstawowego prawa załamania i odbicia Snella, rządzących rozchodzeniem się i zachowaniem promieni świetlnych w ośrodkach nieliniowych.

Uzyskanie w latach 70. tłumienności jednostkowej 1–4 dB/km w pierwszym oknie transmisyjnym (długość fali λ = 0,85 µm) oraz ok. 0,4 dB w drugim (λ = 1,3 µm) i poniżej 0,2 dB w trzecim (&##955; = 1,55 µm) stało się przełomowym momentem rozwoju zastosowań transmisji optoelektronicznej w telekomunikacji. Osiągnięcie szybkiej komunikacji światłowodowej na dużych dystansach zaczęło być bardziej realne. Częstotliwości promieni świetlnych odpowiadające tym długościom fal sięgają 200 THz (2x10¹⁴ Hz), co przynajmniej teoretycznie umożliwia modulację z szybkością tetaherców (THz) i uzyskiwanie w przyszłości olbrzymich przepływności binarnych, rzędu pojedynczych Tb/s w jednym kanale optycznym i na jednej częstotliwości światła.

Od pierwszych badań nad dostosowaniem światłowodów do komunikacji długodystansowej było jasne, że jedną z większych przeszkód w uzyskaniu dalekiego zasięgu łącza optycznego jest dyspersja, powodująca rozmywanie (rozszczepienie) impulsów w miarę zwiększania się odległości sygnału od jego źródła. Zjawisko to, istotnie ograniczające zasięg transmisji światłowodowej, zwiększyło zainteresowanie producentów materiałami optycznymi o minimalnym współczynniku dyspersji w zakresie częstotliwości transmitowanych sygnałów optycznych. Początkowo do komunikacji optycznej korzystano więc z naturalnej (zerowej lub bliskiej zeru) dyspersji szkła kwarcowego SiO₂, uzyskiwanej dla fali o częstotliwości 1310 nm, czyli w drugim oknie optycznym światłowodu. Takie rozwiązanie zapewniło transmisję informacji przez włókno optyczne na dystansie 80–100 km i zapoczątkowało drugą generację techniki światłowodowej.