Optiska kommunikationssystem: syfte, skapelsehistoria, fördelar
Hur kom den elektriska anslutningen till?
Prototyperna av moderna kommunikationssystem dök upp under förra seklet och i slutet av deras telegrafledningar hade intrasslat hela världen. Hundratusentals telegram sändes över dem, och snart slutade telegrafen att klara belastningen. Utskick var försenade och det fanns fortfarande ingen långdistanstelefon- och radiokommunikation.
I början av 1900-talet uppfanns elektronröret. Radiotekniken började utvecklas snabbt, grunden för elektronik lades. Signaler har lärt sig att sända radiovågor inte bara genom rymden (genom luften), utan också att skicka dem över ledningar och via kommunikationskablar.
Användningen av radiovågor fungerade som grunden för att komprimera den dyraste och ineffektiva delen av informationsöverföringssystem - linjära enheter. Genom att komprimera linjen i frekvens, i tid, med hjälp av speciella metoder för att "paketera" information, är det idag möjligt att sända tiotusentals olika meddelanden på en enda linje per tidsenhet. Sådan kommunikation kallas multikanal.
Gränserna mellan olika typer av kommunikation började suddas ut. De kompletterade varandra harmoniskt, telegraf, telefon, radio och senare tv, radiorelä och senare satellit, rymdkommunikation förenades i ett gemensamt elektriskt kommunikationssystem.
Modern kommunikationsteknik
Informationstäthet av kommunikationskanaler
Vågor med en längd på 3000 km till 4 mm arbetar i informationsöverföringskanalerna. Utrustningen är i drift och kan sända 400 megabit per sekund över en kommunikationskanal (400 Mbit/s är 400 miljoner bitar per sekund). Om vi tar en bokstav i den här ordningen för 1 bit, kommer 400 Mbit att utgöra ett bibliotek på 500 volymer, vardera med 20 tryckta ark).
Liknar nuvarande medel för elektrisk kommunikation deras prototyper från förra seklet? Ungefär samma som ett hoppplan. Trots all perfektion av utrustning i moderna kommunikationskanaler, tyvärr, är det för trångt: mycket närmare än på 90-talet av förra seklet.
Telegrafledningar i Cincinnati, USA (tidigt 1900-tal)
En kvinna lyssnar på radio med hörlurar den 28 mars 1923.
Det finns en motsättning mellan det växande behovet av informationsöverföring och de grundläggande egenskaperna hos de fysiska processer som idag används i kommunikationskanaler. För att späda ut "informationstätheten" är det nödvändigt att erövra kortare och kortare vågor, det vill säga att bemästra högre och högre frekvenser. Naturen hos elektromagnetiska svängningar är sådan att ju högre frekvens de är, desto mer information per tidsenhet kan sändas över kommunikationskanalen.
Men med desto större svårigheter som kommunikatörer måste möta: med en minskning av vågen ökar de interna (inneboende) ljuden från de mottagande enheterna kraftigt, kraften hos generatorerna minskar och effektiviteten minskar avsevärt. sändare, och av all elektricitet som förbrukas är det bara en liten del som omvandlas till användbar radiovågsenergi.
Utgångstransformatorn för rörsändningskretsen för radiostationen Nauen i Tyskland med en räckvidd på över 20 000 kilometer (oktober 1930)
Den första UHF-radiokommunikationen etablerades mellan Vatikanen och påven Pius XI:s sommarresidens, 1933.
Ultrakorta vågor (UHF) förlorar sin energi katastrofalt snabbt på vägen. Därför måste meddelandesignaler förstärkas och regenereras (återställas) för ofta.Vi måste ta till komplex och dyr utrustning. Kommunikation inom radiovågornas centimeterintervall, än mindre millimeterområdet, möter många hinder.
Nackdelar med elektriska kommunikationskanaler
Nästan all modern elektrisk kommunikation är flerkanalig. För att sända på en 400 Mbit / s kanal måste du arbeta i decimimeterområdet för radiovågor. Detta är endast möjligt i närvaro av mycket komplex utrustning och, naturligtvis, en speciell högfrekvent (koaxial) kabel, som består av ett eller flera koaxialpar.
I varje par är de yttre och inre ledarna koaxialcylindrar. Två sådana par kan samtidigt sända 3 600 telefonsamtal eller flera TV-program. I detta fall måste dock signalerna förstärkas och regenereras var 1,5 km.
En stilig signalman på 1920-talet
Kommunikationskanalerna domineras av kabellinjer. De är skyddade från yttre påverkan, elektriska och magnetiska störningar. Kablarna är hållbara och pålitliga i drift, de är bekväma att lägga i olika miljöer.
Produktionen av kablar och kommunikationsledningar tar dock mer än hälften av världens produktion av icke-järnmetaller, vars reserver minskar snabbt.
Metallen blir dyrare. Och tillverkning av kablar, särskilt koaxialkablar, är en komplex och extremt energikrävande verksamhet. Och behovet av dem växer. Därför är det inte svårt att föreställa sig vad kostnaderna är för byggandet av kommunikationslinjer och deras drift.
Installation av en kabelledning i New York, 1888.
Kommunikationsnätverket är den mest spektakulära och dyra struktur som människan någonsin har skapat på jorden. Hur utvecklar man det ytterligare, om det redan på 50-talet av XX-talet stod klart att telekommunikation närmade sig tröskeln för dess ekonomiska genomförbarhet?
Färdigställande av den transkontinentala telefonlinjen, Wendover, Utah, 1914.
För att eliminera "informationstätheten i kommunikationskanalerna var det nödvändigt att lära sig hur man använder de optiska intervallen för elektromagnetiska svängningar. Ljusvågor har trots allt miljontals gånger fler vibrationer än VHF.
Om en optisk kommunikationskanal skapades skulle det vara möjligt att samtidigt sända flera tusen tv-program och många fler telefonsamtal och radiosändningar.
Uppgiften verkade skrämmande. Men på vägen mot dess lösning uppstod en slags labyrint av problem inför forskarna och signalmännen. XX århundraden visste ingen hur man skulle övervinna det.
"Sovjetisk TV och radio" - utställning i "Sokolniki"-parken, Moskva, 5 augusti 1959.
Lasrar
1960 skapades en fantastisk ljuskälla - en laser eller optisk kvantgenerator (LQG). Denna enhet har unika egenskaper.
Det är omöjligt att berätta om funktionsprincipen och enheten för olika lasrar i en kort artikel. Det fanns redan en detaljerad artikel om lasrar på vår hemsida: Enheten och principen för drift av lasrar… Här begränsar vi oss till att bara räkna upp de egenskaper hos lasern som har tilldragit sig kommunikationsarbetarnas uppmärksamhet.
Ted Mayman, motinstruktör för den första fungerande lasern, 1960.
Låt oss först och främst ange strålningens koherens. Laserljus är nästan monokromatiskt (en färg) och divergerar i rymden gånger mindre än ljuset från den mest perfekta strålkastaren. Energin som är koncentrerad i laserns nålstråle är mycket hög. Det var dessa och några andra egenskaper hos lasern som fick kommunikationsarbetare att använda lasern för optisk kommunikation.
De första utkasten sammanfattades enligt följande. Om du använder en laser som generator och modulerar dess stråle med en meddelandesignal får du en optisk sändare. Om vi riktar strålen till ljusmottagaren får vi en optisk kommunikationskanal. Inga kablar, inga kablar. Kommunikation kommer att ske genom rymden (öppen laserkommunikation).
Erfarenhet av laser i ett vetenskapslabb
Laboratorieexperiment bekräftade på ett briljant sätt hypotesen om kommunikationsarbetare. Och snart fanns det en möjlighet att testa detta förhållande i praktiken.Tyvärr gick signalmännens förhoppningar om öppen laserkommunikation på jorden inte i uppfyllelse: regn, snö, dimma gjorde kommunikationen osäker och avbröt den ofta helt.
Det blev uppenbart att ljusvågor som bär information måste skyddas av atmosfären. Detta kan göras med hjälp av vågledare - tunna, enhetliga och mycket släta metallrör inuti.
Men ingenjörer och ekonomer insåg omedelbart svårigheterna med att göra helt jämna och jämna vågledare. Vågledare var dyrare än guld. Spelet var tydligen inte värt ljuset.
De var tvungna att leta efter fundamentalt nya sätt att skapa världsguider. Man måste se till att ljusledarna inte var gjorda av metall, utan av något billigt, icke-knappt råmaterial. Det tog decennier att utveckla optiska fibrer lämpliga för att överföra information med hjälp av ljus.
Den första sådana fibern är gjord av ultrarent glas. En tvålagers koaxial kärna och skalstruktur skapades. Glastyperna valdes så att kärnan har ett högre brytningsindex än beklädnaden.
Nästan total intern reflektion i det optiska mediet
Men hur kopplar man ihop olika glas så att det inte blir några defekter vid gränsen mellan kärnan och skalet? Hur uppnår man jämnhet, enhetlighet och samtidigt maximal fiberstyrka?
Genom ansträngningar från forskare och ingenjörer skapades slutligen den önskade optiska fibern. Idag sänds ljussignaler över hundratals och tusentals kilometer genom den. Men vilka är lagarna för utbredning av ljusenergi på icke-metalliska (dielektriska) ledande media?
Fiberlägen
Single-mode och multimode fibrer tillhör optiska fibrer genom vilka ljus färdas och upplever handlingar av upprepad inre reflektion vid kärnans beklädnadsgränssnitt (experter menar de naturliga svängningarna i resonatorsystemet med "mod").
Fiberns lägen är dess egna vågor, d.v.s. de som fångas av fiberns kärna och sprids längs fibern från dess början till dess slut.
Typen av fiber bestäms av dess design: komponenterna från vilka kärnan och beklädnaden är gjorda, såväl som förhållandet mellan fiberns dimensioner och den använda våglängden (den sista parametern är särskilt viktig).
I singelmodsfibrer måste kärndiametern vara nära den naturliga våglängden. Av de många vågorna fångar fiberns kärna bara en av sina egna vågor. Därför kallas fibern (ljusledaren) single-mode.
Om kärnans diameter överstiger längden på en viss våg, kan fibern leda flera tiotals eller till och med hundratals olika vågor samtidigt. Så här fungerar multimodfiber.
Överföring av information med ljus genom optiska fibrer
Ljus injiceras i den optiska fibern endast från en lämplig källa. Oftast - från en laser. Men ingenting är perfekt av naturen. Därför innehåller laserstrålen, trots sin inneboende monokromaticitet, fortfarande ett visst frekvensspektrum, eller, med andra ord, sänder ut ett visst intervall av våglängder.
Vad förutom en laser kan fungera som ljuskälla för optiska fibrer? Lysdioder med hög ljusstyrka. Riktningen av strålningen i dem är dock mycket mindre än för lasrar.Därför införs tiotals och hundratals gånger mindre energi i fibern av de sjunkna dioderna än av lasern.
När en laserstråle riktas mot fiberns kärna träffar varje våg den i en strikt definierad vinkel. Detta innebär att olika egenvågor (moder) för samma tidsintervall passerar genom fiberns (från dess början till slutet) vägar av olika längd. Detta är vågspridning.
Och vad händer med signalerna? Genom att passera en annan väg i fibern under samma tidsintervall kan de nå slutet av linjen i en förvrängd form. Experter kallar detta fenomen för dispersion.
Kärnan och manteln av fibern är som. redan nämnt, de är gjorda av glas med olika brytningsindex. Och brytningsindexet för något ämne beror på ljusets våglängd som påverkar ämnet. Därför finns det en spridning av materia, eller med andra ord, en materiell spridning.
Våglängd, läge, materialspridning är tre faktorer som negativt påverkar överföringen av ljusenergi genom optiska fibrer.
Det finns ingen modspridning i singelmodsfibrer. Därför kan sådana fibrer sända hundratals gånger mer information per tidsenhet än multimodfibrer. Hur är det med spridningar av vågor och material?
I singelmodsfibrer försöker man säkerställa att våg- och materialdispersioner under vissa förhållanden tar ut varandra. Därefter var det möjligt att skapa en sådan fiber, där den negativa effekten av mod och vågspridning försvagades avsevärt. Hur klarade du det?
Vi valde grafen för beroendet av förändringen i fibermaterialets brytningsindex med en förändring i dess avstånd från axeln (längs radien) enligt den paraboliska lagen. Ljus färdas längs en sådan fiber utan att uppleva flera totala reflektioner vid kärnans beklädnadsgränssnitt.
Kommunikationsfördelningsskåp. Gula kablar är single-mode fibrer, orange och blå kablar är multimode fibrer
Banorna för ljuset som fångas av den optiska fibern är olika. Vissa strålar sprider sig längs kärnans axel och avviker från den i en eller annan riktning på lika avstånd ("orm"), andra som ligger i planen som korsar fiberns axel bildar en uppsättning spiraler. Radien för vissa förblir konstant, andras radier ändras periodiskt. Sådana fibrer kallas refraktiva eller gradienter.
Det är väldigt viktigt att veta; vid vilken begränsningsvinkel måste ljuset riktas mot änden av varje optisk fiber. Detta bestämmer hur mycket ljus som kommer in i fibern och leds från början till slutet av den optiska linjen. Denna vinkel bestäms av fiberns numeriska öppning (eller helt enkelt — öppningen).
Optisk kommunikation
FOCL
Som optiska kommunikationslinjer (FOCL) kan optiska fibrer, i sig själva tunna och ömtåliga, inte användas. Fibrer används som råvara för tillverkning av optiska fiberkablar (FOC). FOCs tillverkas i en mängd olika utföranden, former och ändamål.
När det gäller styrka och tillförlitlighet är FOC inte sämre än sina metallintensiva prototyper och kan läggas i samma miljöer som kablar med metalliska ledare - i luften, under jorden, på botten av floder och hav. WOK är mycket lättare.Viktigt är att FOC är helt okänsliga för elektriska störningar och magnetiska influenser. Det är trots allt svårt att hantera sådana störningar i metallkablar.
Optiska kablar av den första generationen på 1980- och 1990-talen ersatte framgångsrikt koaxialvägar mellan automatiska telefonväxlar. Längden på dessa linjer översteg inte 10-15 km, men signalmännen andades en suck av lättnad när det blev möjligt att överföra all nödvändig information utan mellanliggande regeneratorer.
Ett stort utbud av "levnadsutrymme" dök upp i kommunikationskanaler, och begreppet "informationstäthet" förlorade sin relevans. Lätt, tunn och tillräckligt flexibel, FOC lades utan svårighet i den befintliga underjordiska telefonen.
Med den automatiska telefonväxeln var det nödvändigt att lägga till enkel utrustning som omvandlar optiska signaler till elektriska (vid ingången från föregående station) och elektriska till optiska (vid utgången till nästa station). All kopplingsutrustning, abonnentlinjer och deras telefoner har inte genomgått några förändringar. Allt blev, som man säger, billigt och glatt.
Installation av fiberoptisk kabel i staden
Installation av optisk kabel på stödet för luftöverföringsledningen
Genom moderna optiska kommunikationslinjer överförs information inte i analog (kontinuerlig) form, utan i diskret (digital) form.
Optiska kommunikationslinjer, de tillät under de senaste 30-40 åren att genomföra revolutionerande omvandlingar inom kommunikationsteknik och relativt snabbt under en lång tid för att sätta stopp för problemet med "informationstäthet" i informationsöverföringskanaler.Bland alla kommunikationsmedel och överföringar har information, optiska kommunikationslinjer en ledande position och kommer att dominera under hela XXI-talet.
Dessutom:
Principen för konvertering och överföring av information på optiska fibrer