Об'єктами вивчення спеціалізації визначаються:

• Мережне устаткування нового покоління для локальних і глобальних інформаційних мереж (телевізійних, комп'ютерних, і т.п.).
• Швидкісні лінії в телекомунікаційних системах і телефонних мережах.
• Сучасні канали транспортування лазерного випромінювання.
• Канали сучасного штучного освітлення.

Основні завдання, які й сьогодні вирішуються за допомогою оптоволоконних систем сформувалися галузі передачі інформації. Дана область охоплює проблеми накопичилися в телефонії, межкомпьютерной і межконтроллерной зв'язку, а також у спеціальній зв'язку. Основні особливості цих проблем відображаються під все зростаючих вимогах до швидкості передачі або пропускної здатності для інформаційних каналів, до їх підвищеної перешкодозахищеності. Однак швидка і надійна передача інформації не єдина сфера застосування оптоволоконних систем. Існує ціла сфера мікроопераціонних майданчиків висвітлення яких, або доставка зображення з яких просто неможлива без застосування оптоволоконних систем. Це і операційні поля в діагностиці та мікрохірургії внутрішніх органів, це і важкодоступні технічні мікроплощадкі.

Оскільки оптіческкіе лінії (як канали транспортування світла) представляють собою тільки частина у складі сучасних систем передачі інформації, слід також звернути увагу на апаратуру і програмне забезпечення призначені для виконання приймально - передавальних операцій, а також операцій первинної обробки інформації (тобто, модуляції, фільтрації, ущільнення, кодування). Очевидно, що реалізація цих операцій багато в чому виявляється спільною як для оптоволоконних каналів, так і для будь-яких інших каналів транспорту лазерного випромінювання. Тим самим, на базі такої апаратури, можлива побудова повітряно-лазерних або вакуум-лазерних каналів зв'язку, як по лінії прямої видимості, так і з використанням проміжних відбивачів або відображають поверхонь.

Сьогодні багато хто з бортових систем управління є найскладнішими керуючими системами. Більше того, такі управляючі системи відносяться до самого нового класу розподілених комп'ютеризовані систем цифрового управління, тобто, до класу керуючих контролерних мереж. Застосування в архітектурі контролерних мереж оптоволоконних каналів передачі інформації дозволяє багаторазово підвищити завадостійкість, швидкодію і надійність сітстем, що в підсумку визначає собою новий рівень якості управління. Як наслідок, фахівці з оптоволоконним системам мають унікальну можливість застосувати свої знання в самих передових сферах науки і технології.

Значні успіхи в технології виробництва оптичного волокна, засобів для його підключення, а також, що навіть більш важливо, успіхи в технології виробництва оптоелектронних мікросхем, дозволяють сміливо стверджувати - в самий найближчий час світлові канали передачі інформації стануть домінуючими не лише для особливо відповідальних технічних систем або об'єктів, але і знайдуть найширше застосування в інформаційних та керуючих системах орієнтованих на будь-які сфери застосування.

Сьогодні широко відомі успіхи лазерної мікрохірургії ока. Однак слід підкреслити, що подальший розвиток комп'ютеризованих оптоволоконних систем медичної діагностики, стимуляції та лазерної мікрохірургії дозволить на багато медичних проблеми поглянути зовсім іншими очима.

Підводячи короткий підсумок загальним відомостями про спеціалізації, ще раз звернемо увагу її основні області застосування. Оптоволокно це:

• Швидкісні та перешкодозахищеність канали передачі інформації для:
  • комп'ютерних та контролерних мереж,
  • мереж телеметрії, телекомунікацій та телефонії,
  • систем передачі телевізійних сигналів,
  • інших іформаціонних і уравляющіх систем самого різного призначення.
  
  
• Канали доставки звичного і лазерного випромінювання в широкому оптичному діапозоні для самих різних цілей:
  • діагностики, стимуляції та мікрохірургії в медицині,
  • для наукових досліджень в медицині та біології,
  • для підсвічування і візуального спостереження в важкодоступних мікоопераціонних обсягах всередині складних технічних об'єктів.
  
  
• Фізичні ефекти, які дозволяють використовувати оптоволокно для створення первинних перетворювачів фізичної величини в параметри світлового потоку (тобто, для створення різних вимірювачів).

Таким чином, якщо Ви вирішили стати фахівцем в області оптоволоконних систем, то Ви прийняли рішення стартувати в майбутнє зі швидкістю світла.

Основні риси сучасного стану галузі можна легко представити виходячи з основних віх у розвитку квантових генераторів когерентного випромінювання та технологій передачі оптичних випромінювань:

1954 р. Басов, Прохоров, Таунс   Теорія квантового генератора
1958 р. Капані                   Оптичний хвилевід з оболонкою
1960 р. Мейман                   Рубіновий лазер
1960 р. Джаван                   гелієво-неоновий лазер
1962 р. -----                    Напівпровідниковий лазер
1966 р. Као, Хокман              Застосування волокон для зв'язку
1969 р. Ушида                    Градієнтне волокно
1970 р. Капрон, Кек              Волокно з втратами 20 дБ / км
1976 р. Хорнгучі                 Волокно з втратами 0,47 дБ / км
1979 р. Шімада                   Передача інформації без ретрансляції на відстань 100 км
1985 р. ------                   Когерентна передача інформації на відстань 150 км

Економічні оцінки показують, що виробництво компонентів для волоконно-оптичних ліній зв'язку і систем передачі інформації стає великої промислової галуззю. Тільки в США, за оцінками експертів, виробництво цієї продукції збільшувалася щорічно приблизно в 1,5 рази. Основна частка (понад 70%) всієї виробленої волоконно-оптичної продукції застосовується в таких областях, як зв'язок (понад 50% всього обсягу продукції), промислові телеметричні системи, кабельне телебачення, обчислювальна техніка, військова промисловість, автоматизовані системи та робототехніка. Причому 69% вартості виробленої продукції припадає на оптичний кабель, 28% - на активні компоненти (лазери, приймачі, ретранслятори), близько 3% - на пасивні компоненти (роз'єми та розгалужувачі). Причини бурхливого розвитку волоконної оптики і зростання капіталовкладень в дослідження і виробництво в цій галузі дуже численні, тому ми зупинимося лише на основних.

1. Перехід з діапазону радіочастот в світловий діапазон електромагнітних хвиль дозволяє збільшити несучу частоту в 104-106 разів і відповідно збільшити обсяг переданої інформації. Швидкості передачі у сучасних волоконно-оптичних систем досягають сотні Гбіт/с, що дозволить в принципі по одному каналу зв'язку передавати гігантські масиви інформації.

2. Використання кварцу і пластмас в якості основної сировини для виробництва волоконно-оптичного кабелю замість міді і свинцю, уживаних при виробництві звичайних кабелів, дозволяє відмовитися від використання металів, запаси яких можуть зникнути вже в перші десятиліття XXI в. Вже в даний час вартість оптичного кабелю значно менше, ніж радіорелейних кабелів, здатних передавати той же обсяг інформації. Чисельні приклади підтверджують, що хоча ціни на оптичній кабель залежать від числа і типу застосованих волокон і захисних оболонок, а також від політики фірми-виробника, тим не менш, зберігається стійка тенденція до зменшення цін і зростання обсягу виробництва.

3. Наявні в даний час швидкості модуляції світлового випромінювання напівпровідникових лазерів і світловипромінюючих діодів, чутливість і швидкодія фотоприймачів для зв'язку - напівпровідникових фотодіодів - дозволяють стикувати оптоелектронні приймальні та модулі передавачів зі стандартними системами імпульсно-кодовою модуляції на 8, 34, 140 і 560 Мбіт / с.

4. Досягнуте на практиці зниження втрат в оптичних волокнах до теоретично мінімального рівня (~ 0,2 дБ/км при довжині хвилі випромінювання 1,3 мкм) дозволяє збільшити відстані між ретрансляційних пунктами до сотень км і тим самим ще більше знизити витрати на будівництво ліній зв'язку.

5. Високий питомий опір матеріалів, з яких виготовляється оптичне волокно (і кварц, і полімери є хорошими ізоляторами), дозволяє зробити лінії зв'язку і передачі інформації пасивними, тобто не вимагають спеціальних електричних розв'язок при розташуванні різних частин системи або лінії в зонах з різним потенціалом. Наприклад, передавач може розташовуватися у високовольтному блоці, а приймач - у заземленому корпусі.

6. Оскільки електромагнітні поля радіодіапазоні не впливають на світлові сигнали, можлива передача інформації по оптичному волокну в умовах сильних електромагнітних перешкод (наприклад, вздовж високовольтних ліній). Значною мірою це відноситься і до різних радіоактивних джерел.

7. Сам принцип волоконно-оптичного зв'язку, а також малі потужності, що використовуються в оптичних випромінювачах, підвищують скритність передачі по оптичних волокнах і кабелям. Застосування квантових особливостей заплутаних фотонів дозволяють досягнути дуже значної стійкості інформації до перехоплення або підробки.

8. При переході на волоконно-оптичну базу різко (в 10-100 разів) зменшується маса кабелів, які прокладаються і трудомісткість робіт з їх прокладанню. Крім того, в бортових і об'єктових системах економія досягається також за рахунок виключення шин нульового потенціалу.

В пороцесі підготовки студентів викладачі ношої кафедри спираються на декілька важливих ідей або принципів:

I. Центральною ідеєю (або принципом) підготовки студентів на нашій кафедрі є створення такого інформаційного та інтелектуального простору, в якому рівень професійної та наукової підготовки студентів обмежується тільки працездатністю і бажанням самих студентів.

II. Другою ідеєю підготовки студентів на нашій кафедрі є така структуризація навчального процесу, при якій студенти отримують не тільки традиційні теоретичну плюс спеціальну (професійну) підготовку, але також проходять сучасну технологічну підготовку по створенню технічних систем, яка гостро необхідна для успішної конкуренції створюваних продуктів на внутрішніх та, що більш важливо, зовнішніх ринках.

III. Третьою, та найважливішою ідеєю підготовки студентів, є поступове включення студента у все більш високі рівні професійної діяльності починаючи з першого року навчання і закінчуючи працевлаштуванням.

Особливості підготовки та працевлаштування студентів кафедри КЕСТ

Докладніше

Подальший прогрес волоконної оптики в найближчі роки пов'язують насамперед із зростанням кількісних показників (число і дальність ліній зв'язку, число і розгалуженість систем передачі даних і т.п.). Це обумовлено тим, що волоконно-оптичні лінії зв'язку класичного типу, тобто побудовані за схемою «джерело-волокно-приймач», впевнено завойовують важливе місце в системах зв'язку різних країн. Однак, можливий і якісний стрибок у цьому напрямі за рахунок розробки так званих «когерентних систем», а також застосування оптичних волокон для передачі середнього інфрачервоного випромінювання з діапазоном хвиль 5-10 мкм.

Оптоелектронні прилади
Крім того, сьогодні у волоконної оптики намітилася нова тенденція, одним з відображень якої стала поява нового покоління оптоелектронних приладів. Проводячи аналогію з електронікою, існуючі волоконні системи зв'язку і передачі інформації можна якоюсь мірою уподібнити електронним схемами з навісним монтажем, в яких використовуються окремі елементи (резистори, конденсатори, напівпровідникові прилади), виконані з різних матеріалів і за різною технологією. Чи можливий для волоконної оптики шлях розвитку, успішно пройдений електронікою, - від навісного монтажу до мікросхем або великих інтегральних схем, в яких всі елементи виконуються на одній фізичній основі (підкладці з кремнію або інших матеріалів)? Уявімо собі, що у волоконної оптики сталася аналогічна концептуальна перебудова і з'явилася можливість створювати відрізки волокна, що виконують різні функції, тобто здійснюють генерацію, посилення, детектування, модуляцію, перетворення і фільтрацію спектру і т.п. Ясно, що при цьому можливості волоконно - оптичних систем, їх структурну різноманітність, області їх використання - все це багаторазово розширюється. Великі надії реалізаціїї такої технології согодні пов'язані з науковими розробками у напрямках застосування фотоних кристалів та нано-трубок.

Крім того, до нового покоління приладів, також, відносяться прилади та їх компоненти різноманітного призначення, в яких оптичне волокно є невід'ємною частиною конструкції. Частина пристроїв цього типу (роз'єми, ответвители) вже зараз є обов'язковими атрибутами волоконо - оптичних систем. Однак у перспективі найбільший інтерес представляють прилади для введення, управління і виведення інформації з оптичної системи, тобто функціональні волоконно-оптичні пристрої.

Найбільший розвиток серед волоконно-оптичних приладів отримали датчики фізичних величин, що дозволяють перетворити значення характеристик вимірюваного фізичного поля (таких як напруженість поля, індукція, частота, напрям поширення) в один або декілька параметрів світлової хвилі, що розповсюджується по волокну (амплітуду, фазу, поляризацію). Прогрес у цій області значний - Волоконно-оптичні датчики (далі ВОД) володіють багатьма з вище перерахованих достоїнств, характерних для волоконно-оптичної техніки. Параметри багатьох ВОД перевершують аналогічні показники традиційних приладів, крім того, волоконні датчики ідеально стикуються з телеметричним системами в волоконному виконанні. найбільш розроблені в даний час ВОД для вимірювання акустичних полів - мікрофони, гідрофони і волоконно-оптичні гіроскопи. Інтенсивно розробляються датчики температур, електричного та магнітного полів, лінійного переміщення і прискорення, хімічного складу, рівня рідини, радіоактивного випромінювання і т.п.

Здавалося б, ідея застосування оптичних волокон в датчиках фізичних полів суперечить одному з важливих положень, сформульованих раніше при перерахуванні основних достоїнств волоконно-оптичного зв'язку, а саме - стійкості до зовнішніх впливів. Однак ці умови строго дотримуються тільки для так званого «ідеального» оптичного волокна. Всілякі нерегулярності, що викликаються зовнішніми впливами, в принципі можуть бути використані для реєстрації цього впливу. На цьому, а також на використанні різного роду нелінійних ефектів, що виникають при взаємодії випромінювання з речовиною волокна, і базується принцип дії більшості таких датчиків.

Очевидно, що подальший прогрес у їх розробці багато в чому залежить від створення спеціалізованих волокон для певного типу датчиків, наприклад волокон з еліптичною серцевиною - для поляризаційних датчиків тиску, волокон з активними присадками - для волоконних лазерів і підсилювачів, металізованих волокон - для магнітометрів і т.п. Очікуване різке збільшення потреби в ВОД, мабуть, робить виробництво таких спеціалізованих волокон економічно виправданим.

До нового покоління волоконно-оптичних приладів відносяться також пристрої для систем зі спектральним ущільненням. У цих системах використовується здатність світлових хвиль різної довжини поширюватися по волокну, без взаємного впливу. Ясно, що в такому підході закладено значний резерв підвищення інформаційної місткості системи. Для практичного використання спектрального ущільнення необхідні пристрої для об'єднання і розділення спектральних каналів, для зовнішньої модуляції оптичного випромінювання і т.п. Для того щоб ці системи були безрозривні, доцільно створення пристроїв у волоконному виконанні.

Великі надії пов'язуються з волоконними лазерами з напівпровідникової накачуванням, відомі прохідні детектори на волокні зі світлочутливої оболонкою. Отже, можна вважати, що створення функціональних оптичних пристроїв різного призначення, інтегрованих на волокні, є основа нової перспективної області оптичного приладобудування, і розвиток цій області дозволить створити волоконно-оптичні системи нового покоління.

Не виключається також можливість широкого застосування таких пристроїв у системах зв'язку, можна також сподіватися, що найбільшу користь вони принесуть в так званих «локальних мережах» і вимірювальних системах, в тому числі системах збору та розподілу інформації індустріального та наукового призначення; корабельних, літакових і супутникових комунікаційних системах; гідроакустичних антенних решітках з ВОД і т.п.

Нові локальні мережі
Архітектура локальних мереж, а отже, їх можливості в великій мірі залежать від функціональних можливостей складових елементів, це перспективний напрям застосування волоконної оптики сьогодні знаходиться на початковій стадії свого розвитку, проте вже до теперішнього часу накопичений певний позитивний досвід.

Наприклад, на установці «Нова», яка розроблена в Ліверморської лабораторії в США для вивчення фізичних процесів у плазмі, створюваної сфокусованим випромінюванням неодімових лазерів загальної потужністю до 150 000 МВт, проблема управління експериментом і вимірювань істотно ускладнювалася через перешкоди, що наводяться в вимірювальних колах в момент генерації лазерного випромінювання. Оскільки загальна довжина ліній вимірювальної системи перевищує 10 км, екранування її вельми важка, а часом неможлива задача. Понад 50 мікро - і міні - ЕОМ, використовуваних для збору даних і управління експериментом, а також велике число приладів для діагностики плазми об'єднані у систему «Нованет» за допомогою волоконно-оптичних кабелів, що дозволило практично вирішити проблему захисту від електромагнітних перешкод.

Іншою областю, де застосування оптичних кабелів дозволило досягти вражаючих результатів у створенні та удосконаленні локальних мереж, є суднобудування. Заміна кабельних і проводових комунікаційних систем волоконно-оптичними в суднобудуванні (як, втім, і в авіаційній промисловості) особливо доцільна там, де крім вже зазначених переваг досягається суттєве зниження маси і габаритних розмірів систем, тобто на великотоннажних судах та у всіляких системах дистанційного управління, автономними апаратами.

Системи автоматизації та дистанційного керування
Подальший розвиток підводних дослідницьких робіт на великих глибинах неможливо без вдосконалення систем дистанційного управління. Чинником, що обмежує глибину занурення, є маса кабелю. Перехід на волоконно-оптичні кабелі зв'язку дозволив використовувати економію маси кабелю для підвищення надійності і досягнення ще більших глибин. Використовуючи сучасні методи ущільнення, по одному волоконному кабелю можна організувати двосторонній обмін всієї необхідної телеметричної і телевізійної інформацією з надводним судном. У США, Японії, Канаді та інших країнах ведуться дослідницькі роботи в цьому багатообіцяючому напрямі.

В автоматизованих системах управління промисловим виробництвом і науковими експериментами, особливо в умовах підвищеної вибухонебезпечності і впливу хімічних речовин, а також за наявності великих різниць потенціалів і електромагнітних полів, застосування волоконно-оптичних локальних мереж збору інформації особливо ефективно в поєднанні з ВОД. Залежно від типу датчика з його допомогою можна забезпечити або аналогову (тобто в оптимальному випадку - пропорційну вимірюваному впливу), або порогову реакцію на досліджуваний параметр технологічного процесу. Аналогові датчики використовуються для вимірювання, порогові - головним чином в якості аварійних і вирішальних пристроїв.

В даний час важко уявити з усією визначеністю, які конкретні структури локальних волоконно-оптичних мереж будуть найбільш ефективними в кожній з областей їх використання. Порівняння локальних мереж з «нервовою системою» при оцінці їх функцій у контролі та регулюванні життєдіяльності складних промислових і наукових комплексів, представляється досить реалістичним.

Отже, в даний час практично сформувався прямий зв'язок між волоконної оптикою і приладобудуванням. Але не менш важливо встановити і «зворотний» зв'язок, використавши можливості приладобудування для потреб волоконної оптики.

Вплив оптоелектроніки на суміжні області
Досвід ряду країн показує , що нестача спеціальних приладів для контролю за ходом технологічних процесів і вимірювання параметрів готової продукції гальмував виробництво основного компонента - оптичних волокон і кабелів. Сучасні уявлення про природу виникнення втрат світлової енергії, звуження смуги пропускання і зниження механічної міцності волокон і кабелів накладають ряд суворих вимог на параметри технологічних процесів і відповідно на точність, стабільність і динамічний діапазон вимірювальних і керуючих приладів. Переконливим прикладом є наступний: при виробництві заготовки оптичного волокна чистота хімічних компонентів від ряду домішок повинна підтримуватися на рівні 10^-6 від поточного значення протягом всього виробничого циклу, який може тривати 6-8 годинч. Настільки ж високі вимоги до механічних і термічних параметрів процесів виготовлення заготовки і витяжки волокна. Отже, для отримання волокна високої якості необхідна автоматизація технологічних процесів на базі мікропроцесорів і спеціалізованих ЕОМ , що працюють у поєднанні з високоточними вимірювальними і виконавчими пристроями. Вимірювання параметрів готової продукції - оптичних волокон і кабелів - в умовах масового виробництва також повинно проводитися швидко і точно. І тут на порядку денному стоїть питання про створення автоматизованих вимірювальних комплексів. Велике значення мають також методи і прилади контролю параметрів ліній і систем в процесі їх експлуатації.

Таким чином, подальший прогрес волоконної оптики нерозривно пов'язаний із створенням спеціалізованих приладів та систем для виробництва основних компонентів і вимірювання їх параметрів. Для створення цих приладів і систем необхідно залучити можливості сучасного приладобудування.

Підводячи підсумок сказаному, ще раз звернемо увагу на значне взаємне проникнення волоконної оптики і приладобудування на сучасному етапі їх розвитку. Цей процес обумовлений тим, що, з одного боку, прогрес волоконної оптики привів до появи нового класу оптичних приладів і (в перспективі) волоконно-оптичних систем наступного покоління. З іншого боку, прогрес волоконної оптики немислимий без спеціалізованих технологічних комплексів і вимірювальних систем, оснащених сучасними приладами, причому потреба в таких комплексах і вимоги до них постійно зростають.

В якості перспективних напрямів розвитку волоконно-оптичних систем, ми зупинилися лише на тих напрямках, які дозволяють показати багатомірність і необмеженість розвитку напрямків цієї спеціалізації, а також дозволяють підкреслити тезу: "Значні успіхи потребують значних зусиль ..."

Підводячи остаточний підсумок першого знайомства з цією спеціалізацією, хочеться особливо підкреслити, що найбільшою нагородою для викладачів нашої кафедри будуть всесвітньо відомі імена іх учнів.