Systemy komunikacji optycznej: przeznaczenie, historia powstania, zalety
Jak doszło do połączenia elektrycznego?
Prototypy nowoczesnych systemów komunikacyjnych pojawiły się w ubiegłym stuleciu i pod koniec ich drutów telegraficznych oplątały cały świat. Przesłano przez nie setki tysięcy telegramów i wkrótce telegraf przestał radzić sobie z obciążeniem. Wysyłki były opóźnione i nadal nie było dalekobieżnej łączności telefonicznej i radiowej.
Na początku XX wieku wynaleziono lampę elektronową. Technologia radiowa zaczęła się szybko rozwijać, położono podwaliny pod elektronikę. Sygnaliści nauczyli się transmitować fale radiowe nie tylko w przestrzeni kosmicznej (powietrznej), ale także przesyłać je przewodami i kablami komunikacyjnymi.
Wykorzystanie fal radiowych posłużyło jako podstawa do upakowania najdroższej i nieefektywnej części systemów transmisji informacji - urządzeń liniowych. Dzięki kompresji linii w częstotliwości, w czasie, przy użyciu specjalnych metod „pakowania” informacji, dziś możliwe jest przesyłanie dziesiątek tysięcy różnych wiadomości na jednej linii w jednostce czasu. Taka komunikacja nazywana jest wielokanałową.
Granice między różnymi rodzajami komunikacji zaczęły się zacierać. Harmonijnie się uzupełniały, telegraf, telefon, radio, a później telewizja, przekaźnik radiowy, a później satelita, łączność kosmiczna została połączona we wspólny system komunikacji elektrycznej.
Nowoczesne technologie komunikacyjne
Szczelność informacyjna kanałów komunikacji
W kanałach transmisji informacji pracują fale o długości od 3000 km do 4 mm. Działające urządzenie może przesyłać 400 megabitów na sekundę przez kanał komunikacyjny (400 Mbit / s to 400 milionów bitów na sekundę). Jeśli weźmiemy list w tej kolejności za 1 bit, to 400 Mbit stworzy bibliotekę 500 tomów, każdy z 20 zadrukowanymi arkuszami).
Czy obecne środki komunikacji elektrycznej są podobne do ich pierwowzorów z ubiegłego wieku? Prawie to samo, co samolot do skoków przez przeszkody. Pomimo całej perfekcji wyposażenia nowoczesnych kanałów komunikacji, jest niestety zbyt zatłoczony: znacznie bliżej niż w latach 90. ubiegłego wieku.
Przewody telegraficzne w Cincinnati, USA (początek XX wieku)
Kobieta słucha radia przez słuchawki, 28 marca 1923 r.
Istnieje sprzeczność między rosnącą potrzebą przekazywania informacji a podstawowymi właściwościami procesów fizycznych stosowanych obecnie w kanałach komunikacyjnych. Aby rozrzedzić „gęstość informacji”, trzeba pokonywać fale coraz krótsze, czyli opanowywać coraz to wyższe częstotliwości. Natura oscylacji elektromagnetycznych polega na tym, że im wyższa jest ich częstotliwość, tym więcej informacji w jednostce czasu można przesłać kanałem komunikacyjnym.
Ale ze wszystkimi większymi trudnościami, z jakimi borykają się komunikatory: wraz ze spadkiem fali wewnętrzne (wewnętrzne) szumy urządzeń odbiorczych gwałtownie rosną, moc generatorów maleje, a wydajność znacznie spada. nadajników i całej zużywanej energii elektrycznej tylko niewielka część jest przekształcana w użyteczną energię fal radiowych.
Transformator wyjściowy lampowego obwodu transmisyjnego radiostacji Nauen w Niemczech o zasięgu ponad 20 000 kilometrów (październik 1930)
Pierwsza łączność radiowa UHF została nawiązana między Watykanem a letnią rezydencją papieża Piusa XI w 1933 r.
Fale ultrakrótkie (UHF) po drodze katastrofalnie szybko tracą swoją energię. Dlatego też sygnały informacyjne muszą być zbyt często wzmacniane i regenerowane (odtwarzane), musimy uciekać się do skomplikowanych i kosztownych urządzeń. Komunikacja w centymetrowym zasięgu fal radiowych, nie mówiąc już o zasięgu milimetrowym, napotyka liczne przeszkody.
Wady elektrycznych kanałów komunikacyjnych
Prawie cała nowoczesna komunikacja elektryczna jest wielokanałowa. Aby nadawać na kanale 400 Mbit / s, musisz pracować w decymetrowym zakresie fal radiowych. Jest to możliwe tylko w obecności bardzo złożonego sprzętu i oczywiście specjalnego kabla wysokiej częstotliwości (koncentrycznego), który składa się z jednej lub więcej par koncentrycznych.
W każdej parze zewnętrzne i wewnętrzne przewody są walcami współosiowymi. Dwie takie pary mogą jednocześnie transmitować 3600 rozmów telefonicznych lub kilka programów telewizyjnych. W tym przypadku jednak sygnały muszą być wzmacniane i regenerowane co 1,5 km.
Stylowy sygnalizator z lat 20
W kanałach komunikacyjnych dominują linie kablowe. Są chronione przed wpływami zewnętrznymi, zakłóceniami elektrycznymi i magnetycznymi. Kable są trwałe i niezawodne w działaniu, są wygodne do układania w różnych środowiskach.
Jednak produkcja kabli i przewodów komunikacyjnych pochłania ponad połowę światowej produkcji metali nieżelaznych, których zasoby szybko się kurczą.
Metal staje się droższy. A produkcja kabli, zwłaszcza koncentrycznych, to złożony i niezwykle energochłonny biznes. A zapotrzebowanie na nie rośnie. Dlatego nietrudno sobie wyobrazić, jakie są koszty budowy linii komunikacyjnych i ich eksploatacji.
Instalacja linii kablowej w Nowym Jorku, 1888 r.
Sieć komunikacyjna to najbardziej spektakularna i kosztowna konstrukcja, jaką człowiek kiedykolwiek stworzył na Ziemi. Jak ją dalej rozwijać, skoro już w latach 50. XX wieku stało się jasne, że telekomunikacja zbliża się do progu ekonomicznej opłacalności?
Ukończenie transkontynentalnej linii telefonicznej, Wendover, Utah, 1914.
Aby wyeliminować „gęstość informacji w kanałach komunikacyjnych”, konieczne było nauczenie się wykorzystywania zakresów optycznych oscylacji elektromagnetycznych. W końcu fale świetlne mają miliony razy więcej wibracji niż VHF.
Gdyby powstał optyczny kanał komunikacyjny, możliwe byłoby jednoczesne przesyłanie kilku tysięcy programów telewizyjnych oraz znacznie więcej rozmów telefonicznych i audycji radiowych.
Zadanie wydawało się trudne. Ale na drodze do jego rozwiązania przed naukowcami i sygnalistami pojawił się rodzaj labiryntu problemów. XX wieku nikt nie wiedział, jak go pokonać.
„Radziecka telewizja i radio” — wystawa w parku „Sokolniki”, Moskwa, 5 sierpnia 1959 r.
Lasery
W 1960 roku powstało niesamowite źródło światła - laser lub optyczny generator kwantowy (LQG). To urządzenie ma wyjątkowe właściwości.
Nie sposób opowiedzieć o zasadzie działania i urządzeniu różnych laserów w krótkim artykule. Na naszej stronie pojawił się już obszerny artykuł o laserach: Urządzenie i zasada działania laserów… Ograniczamy się tutaj do wyliczenia tylko tych cech lasera, które zwróciły uwagę pracowników komunikacji.
Ted Mayman, kontrinstruktor pierwszego działającego lasera, 1960.
Przede wszystkim określmy spójność promieniowania. Światło lasera jest prawie monochromatyczne (jeden kolor) i rozchodzi się w czasach przestrzennych mniej niż światło najdoskonalszego szperacza. Energia skupiona w wiązce igłowej lasera jest bardzo duża. To właśnie te i kilka innych właściwości lasera skłoniły pracowników komunikacji do wykorzystania lasera do komunikacji optycznej.
Pierwsze projekty zostały podsumowane w następujący sposób. Jeśli użyjesz lasera jako generatora i zmodulujesz jego wiązkę za pomocą sygnału wiadomości, otrzymasz nadajnik optyczny. Kierując wiązkę do odbiornika światła, otrzymujemy optyczny kanał komunikacyjny. Bez przewodów, bez kabli. Komunikacja będzie odbywała się w kosmosie (otwarta komunikacja laserowa).
Doświadczenie z laserami w laboratorium naukowym
Eksperymenty laboratoryjne znakomicie potwierdziły hipotezę pracowników komunikacji. Wkrótce nadarzyła się okazja sprawdzenia tego związku w praktyce.Niestety nadzieje sygnalistów na otwartą łączność laserową na Ziemi nie spełniły się: deszcz, śnieg, mgła sprawiły, że łączność była niepewna, a często całkowicie ją odcinała.
Stało się oczywiste, że fale świetlne przenoszące informacje muszą być osłonięte atmosferą. Można to zrobić za pomocą falowodów - cienkich, jednolitych i bardzo gładkich metalowych rurek wewnątrz.
Ale inżynierowie i ekonomiści natychmiast dostrzegli trudności związane z wykonaniem całkowicie gładkich i równych falowodów. Falowody były droższe niż złoto. Najwyraźniej gra nie była warta świeczki.
Musieli szukać zasadniczo nowych sposobów tworzenia światowych przewodników. Trzeba było zadbać o to, aby światłowody nie były wykonane z metalu, a z jakiegoś taniego, nierzadkiego surowca. Opracowanie światłowodów odpowiednich do przesyłania informacji za pomocą światła zajęło dziesięciolecia.
Pierwsze takie włókno jest wykonane z ultraczystego szkła. Stworzono dwuwarstwową współosiową strukturę rdzenia i powłoki. Rodzaje szkła dobrano tak, aby rdzeń miał wyższy współczynnik załamania światła niż płaszcz.
Prawie całkowite wewnętrzne odbicie w ośrodku optycznym
Ale jak połączyć różne szkła, żeby nie było defektów na granicy między rdzeniem a powłoką? Jak uzyskać gładkość, jednolitość i jednocześnie maksymalną wytrzymałość włókien?
Dzięki wysiłkom naukowców i inżynierów ostatecznie powstało pożądane włókno światłowodowe. Dziś sygnały świetlne są przesyłane przez nią na setki i tysiące kilometrów. Ale jakie są prawa propagacji energii świetlnej w niemetalicznych (dielektrycznych) ośrodkach przewodzących?
Tryby światłowodowe
Włókna jednomodowe i wielomodowe należą do światłowodów, przez które przechodzi światło, doświadczając aktów powtarzającego się wewnętrznego odbicia na granicy rdzeń-płaszcz (eksperci rozumieją naturalne oscylacje układu rezonatora przez „mod”).
Modami światłowodu są jego własne fale, tj. te, które są wychwytywane przez rdzeń włókna i rozciągają się wzdłuż włókna od jego początku do końca.
O rodzaju włókna decyduje jego konstrukcja: komponenty, z których wykonany jest rdzeń i płaszcz, a także stosunek wymiarów włókna do zastosowanej długości fali (szczególnie ważny jest ten ostatni parametr).
W światłowodach jednomodowych średnica rdzenia musi być zbliżona do naturalnej długości fali. Spośród wielu fal rdzeń światłowodu wychwytuje tylko jedną z własnych fal. Dlatego światłowód (światłowód) nazywany jest jednomodowym.
Jeśli średnica rdzenia przekracza długość określonej fali, to włókno jest w stanie przewodzić jednocześnie kilkadziesiąt, a nawet setki różnych fal. Tak działa światłowód wielomodowy.
Przesyłanie informacji za pomocą światła za pomocą światłowodów
Światło jest wprowadzane do światłowodu tylko z odpowiedniego źródła. Najczęściej — z lasera. Ale nic nie jest doskonałe z natury. Dlatego wiązka laserowa, pomimo swojej wrodzonej monochromatyczności, nadal zawiera określone widmo częstotliwości, czyli innymi słowy, emituje określony zakres długości fal.
Co oprócz lasera może służyć jako źródło światła dla światłowodów? Diody LED o wysokiej jasności. Jednak kierunkowość promieniowania w nich jest znacznie mniejsza niż w przypadku laserów.Dlatego przypalone diody wprowadzają do światłowodu dziesiątki i setki razy mniej energii niż laser.
Kiedy wiązka lasera jest skierowana na rdzeń światłowodu, każda fala uderza w niego pod ściśle określonym kątem. Oznacza to, że różne fale własne (mody) w tym samym przedziale czasu przechodzą przez światłowody (od jego początku do końca) ścieżki o różnych długościach. To jest dyspersja fal.
A co się dzieje z sygnałami? Przechodząc inną ścieżką w światłowodzie przez ten sam przedział czasu, mogą dotrzeć do końca linii w zniekształconej formie.Zjawisko to eksperci nazywają dyspersją trybu.
Rdzeń i osłona włókna są podobne. już wspomniano, są one wykonane ze szkła o różnych współczynnikach załamania światła. A współczynnik załamania światła dowolnej substancji zależy od długości fali światła, które oddziałuje na substancję. Istnieje zatem rozproszenie materii, czyli innymi słowy rozproszenie materialne.
Długość fali, mod, dyspersja materiałowa to trzy czynniki, które negatywnie wpływają na transmisję energii świetlnej przez światłowody.
W światłowodach jednomodowych nie występuje dyspersja modowa. Dlatego takie światłowody mogą przesyłać setki razy więcej informacji w jednostce czasu niż światłowody wielomodowe. A co z dyspersją fal i materiałów?
W światłowodach jednomodowych dąży się do tego, aby w określonych warunkach dyspersje falowe i materiałowe wzajemnie się znosiły. Następnie udało się stworzyć takie włókno, w którym negatywny wpływ dyspersji modów i fal został znacznie osłabiony. Jak sobie z tym poradziłeś?
Wybraliśmy wykres zależności zmiany współczynnika załamania światła materiału włóknistego od zmiany jego odległości od osi (wzdłuż promienia) zgodnie z prawem parabolicznym. Światło przemieszcza się wzdłuż takiego światłowodu, nie doświadczając wielokrotnych całkowitych odbić na granicy rdzeń-płaszcz.
Szafa rozdzielcza komunikacyjna. Żółte kable to włókna jednomodowe, pomarańczowe i niebieskie to światłowody wielomodowe
Ścieżki światła przechwytywanego przez światłowód są różne. Niektóre promienie rozchodzą się wzdłuż osi rdzenia, odchylając się od niego w jednym lub drugim kierunku w równych odległościach („wąż”), inne leżące w płaszczyznach przecinających oś włókna tworzą zestaw spiral. Promień niektórych pozostaje stały, promienie innych zmieniają się okresowo. Takie włókna nazywane są refrakcyjnymi lub gradientowymi.
Bardzo ważne jest, aby wiedzieć; pod jakim granicznym kątem należy skierować światło na koniec każdego światłowodu. Określa ona, ile światła dostanie się do światłowodu i zostanie poprowadzone od początku do końca linii optycznej. Kąt ten jest określony przez numeryczną aperturę światłowodu (lub po prostu — aperturę).
Komunikacja optyczna
FOKL
Jako optyczne linie komunikacyjne (FOCL) nie można używać światłowodów, które same w sobie są cienkie i delikatne. Włókna są wykorzystywane jako surowiec do produkcji kabli światłowodowych (FOC). FOC są produkowane w różnych wzorach, kształtach i celach.
Pod względem wytrzymałości i niezawodności kable FOC nie ustępują ich prototypom z dużą zawartością metalu i można je układać w tych samych środowiskach, co kable z metalowymi przewodnikami — w powietrzu, pod ziemią, na dnie rzek i mórz. WOK jest dużo prostszy.Co ważne, FOC są całkowicie niewrażliwe na zakłócenia elektryczne i wpływy magnetyczne. W końcu trudno sobie poradzić z taką ingerencją w kable metalowe.
Kable optyczne pierwszej generacji w latach 80. i 90. z powodzeniem zastępowały koncentryczne autostrady między automatycznymi centralami telefonicznymi. Długość tych linii nie przekraczała 10-15 km, ale sygnaliści odetchnęli z ulgą, gdy stało się możliwe przekazanie wszystkich niezbędnych informacji bez regeneratorów pośrednich.
W kanałach komunikacyjnych pojawiła się duża podaż „przestrzeni życiowej”, a pojęcie „ciasnoty informacyjnej” straciło na aktualności. Lekki, cienki i wystarczająco elastyczny FOC został bez trudu umieszczony w istniejącym telefonie podziemnym.
Przy automatycznej centrali telefonicznej konieczne było dodanie prostych urządzeń, które zamieniają sygnał optyczny na elektryczny (na wejściu z poprzedniej stacji) i elektryczny na optyczny (na wyjściu do następnej stacji). Wszystkie urządzenia przełączające, linie abonenckie i ich telefony nie uległy żadnym zmianom. Wszystko okazało się, jak mówią, tanie i wesołe.
Instalacja kabla światłowodowego w mieście
Montaż kabla światłowodowego na wsporniku napowietrznej linii przesyłowej
Za pomocą nowoczesnych optycznych linii komunikacyjnych informacje są przesyłane nie w formie analogowej (ciągłej), ale w formie dyskretnej (cyfrowej).
Optyczne łącza komunikacyjne pozwoliły w ciągu ostatnich 30-40 lat dokonać rewolucyjnych przemian w technologiach komunikacyjnych i stosunkowo szybko na długi czas położyć kres problemowi „szczelności informacyjnej” w kanałach transmisji informacji.Wśród wszystkich środków komunikacji i transmisji informacji linie komunikacji optycznej zajmują wiodącą pozycję i będą dominować przez cały XXI wiek.
Dodatkowo:
Zasada przetwarzania i transmisji informacji w światłowodach