Sisteme de comunicații optice: scop, istoric de creație, avantaje
Cum a apărut conexiunea electrică?
Prototipurile sistemelor moderne de comunicații au apărut în secolul trecut și până la sfârșitul firelor lor telegrafice încurcaseră întreaga lume. Au fost transmise sute de mii de telegrame peste ele, iar în curând telegraful a încetat să facă față sarcinii. Trimiterile au fost întârziate și nu exista încă comunicații telefonice și radio la distanță lungă.
La începutul secolului al XX-lea a fost inventat tubul electronic. Tehnologia radio a început să se dezvolte rapid, au fost puse bazele electronicii. Semnalizorii au învățat să transmită unde radio nu numai prin spațiu (prin aer), ci și să le trimită prin fire și prin cabluri de comunicație.
Utilizarea undelor radio a servit ca bază pentru compactarea celei mai scumpe și ineficiente părți a sistemelor de transmitere a informațiilor - dispozitivele liniare. Prin comprimarea liniei în frecvență, în timp, folosind metode speciale de „ambalare” a informațiilor, astăzi este posibilă transmiterea a zeci de mii de mesaje diferite pe o singură linie pe unitatea de timp. O astfel de comunicare se numește multicanal.
Granițele dintre diferitele tipuri de comunicare au început să se estompeze. S-au completat armonios unul pe altul, telegraful, telefonul, radioul, iar mai târziu televiziunea, releul radio, iar mai târziu comunicațiile prin satelit, spațiale au fost unite într-un sistem comun de comunicații electrice.
Tehnologii moderne de comunicare
Etanșeitatea informațională a canalelor de comunicare
Undele cu lungimea de la 3000 km la 4 mm lucrează în canalele de transmitere a informațiilor. Echipamentul este în funcțiune capabil să transmită 400 de megabiți pe secundă pe un canal de comunicație (400 Mbit / s este 400 de milioane de biți pe secundă). Dacă luăm o literă în această ordine pentru 1 bit, atunci 400 Mbit va alcătui o bibliotecă de 500 de volume, fiecare cu 20 de coli tipărite).
Sunt mijloacele actuale de comunicare electrică asemănătoare cu prototipurile lor din secolul trecut? Aproape la fel ca un avion de sărituri. În ciuda întregii perfecțiuni a echipamentelor din canalele de comunicații moderne, din păcate, este prea aglomerat: mult mai aproape decât în anii 90 ai secolului trecut.
Cabluri de telegraf în Cincinnati, SUA (începutul secolului al XX-lea)
O femeie ascultă radioul prin căști, 28 martie 1923.
Există o contradicție între nevoia tot mai mare de transmitere a informațiilor și proprietățile de bază ale proceselor fizice utilizate în prezent în canalele de comunicare. Pentru a dilua „densitatea informațională”, este necesar să cucerim unde din ce în ce mai scurte, adică să stăpânești frecvențe din ce în ce mai mari. Natura oscilațiilor electromagnetice este de așa natură încât cu cât frecvența lor este mai mare, cu atât mai multe informații pe unitatea de timp pot fi transmise prin canalul de comunicație.
Dar cu toate dificultățile mai mari cu care se confruntă comunicatorii: odată cu scăderea undei, zgomotele interne (intrinsece) ale dispozitivelor de recepție cresc brusc, puterea generatoarelor scade, iar eficiența scade semnificativ. transmițătoare și din toată energia electrică consumată, doar o mică parte este transformată în energie utilă a undelor radio.
Transformatorul de ieșire al circuitului de transmisie cu tub al stației de radio Nauen din Germania, cu o rază de acțiune de peste 20.000 de kilometri (octombrie 1930)
Primele comunicații radio UHF au fost stabilite între Vatican și reședința de vară a Papei Pius al XI-lea, 1933.
Undele ultrascurte (UHF) își pierd energia catastrofal rapid pe parcurs. Prin urmare, semnalele mesajelor trebuie amplificate și regenerate (restaurate) prea des.Trebuie să recurgem la echipamente complexe și costisitoare. Comunicarea în intervalul centimetric al undelor radio, să nu mai vorbim de domeniul milimetric, se confruntă cu numeroase obstacole.
Dezavantajele canalelor de comunicații electrice
Aproape toate comunicațiile electrice moderne sunt multicanal. Pentru a transmite pe un canal de 400 Mbit/s, trebuie să lucrați în intervalul decimimetru al undelor radio. Acest lucru este posibil numai în prezența unui echipament foarte complex și, desigur, a unui cablu special de înaltă frecvență (coaxial), care constă dintr-una sau mai multe perechi coaxiale.
În fiecare pereche, conductorii exterior și interior sunt cilindri coaxiali. Două astfel de perechi pot transmite simultan 3.600 de apeluri telefonice sau mai multe programe TV. În acest caz însă, semnalele trebuie amplificate și regenerate la fiecare 1,5 km.
Un semnalist elegant în anii 1920
Canalele de comunicare sunt dominate de liniile de cablu. Sunt protejate de influențele externe, perturbații electrice și magnetice. Cablurile sunt durabile și fiabile în funcționare, sunt convenabile pentru așezare în diferite medii.
Cu toate acestea, producția de cabluri și fire de comunicații preia mai mult de jumătate din producția mondială de metale neferoase, ale căror rezerve se scad rapid.
Metalul devine din ce în ce mai scump. Iar producția de cabluri, în special cele coaxiale, este o afacere complexă și extrem de consumatoare de energie. Și nevoia de ele crește. Prin urmare, nu este greu de imaginat care sunt costurile pentru construcția liniilor de comunicație și funcționarea acestora.
Instalarea unei linii de cablu în New York, 1888.
Rețeaua de comunicații este cea mai spectaculoasă și mai scumpă structură pe care omul a creat-o vreodată pe Pământ. Cum să o dezvoltăm în continuare, dacă deja în anii 50 ai secolului XX a devenit clar că telecomunicațiile se apropiau de pragul fezabilității sale economice?
Finalizarea liniei telefonice transcontinentale, Wendover, Utah, 1914.
Pentru a elimina „densitatea informației în canalele de comunicație, a fost necesar să învățăm cum să folosiți intervalele optice ale oscilațiilor electromagnetice. La urma urmei, undele luminoase au vibrații de milioane de ori mai multe decât VHF.
Dacă s-ar crea un canal de comunicare optic, ar fi posibil să se transmită simultan câteva mii de programe de televiziune și multe alte apeluri telefonice și emisiuni radio.
Sarcina părea descurajantă. Dar pe drumul către rezolvarea sa, un fel de labirint de probleme a apărut în fața oamenilor de știință și a semnalizatorilor. Secolele XX nimeni nu a știut să o depășească.
„Televiziunea și radioul sovietic” — expoziție în parcul „Sokolniki”, Moscova, 5 august 1959.
Lasere
În 1960, a fost creată o sursă de lumină uimitoare - un generator cuantic cu laser sau optic (LQG). Acest dispozitiv are proprietăți unice.
Este imposibil să spuneți despre principiul de funcționare și despre dispozitivul diferitelor lasere într-un articol scurt. Exista deja un articol detaliat despre lasere pe site-ul nostru: Dispozitivul și principiul de funcționare al laserelor… Aici ne limităm la a enumera doar acele caracteristici ale laserului care au atras atenția lucrătorilor în comunicare.
Ted Mayman, contra-instructor al primului laser de lucru, 1960.
În primul rând, să menționăm coerența radiației. Lumina laser este aproape monocromatică (o culoare) și diverge în spațiu de ori mai puțin decât lumina celui mai perfect reflector. Energia concentrată în fasciculul ac al laserului este foarte mare. Acestea și alte proprietăți ale laserului au determinat lucrătorii din comunicații să folosească laserul pentru comunicații optice.
Primele proiecte au fost rezumate după cum urmează. Dacă utilizați un laser ca generator și modulați fasciculul cu un semnal de mesaj, obțineți un transmițător optic. Direcționând fasciculul către receptorul de lumină, obținem un canal de comunicare optic. Fără fire, fără cabluri. Comunicarea se va face prin spațiu (comunicare laser deschisă).
Experiență cu lasere într-un laborator de știință
Experimentele de laborator au confirmat cu brio ipoteza lucrătorilor în comunicare. Și în curând a existat ocazia de a testa această relație în practică.Din păcate, speranțele oamenilor de semnalizare pentru comunicarea laser deschisă pe Pământ nu s-au împlinit: ploaia, zăpada, ceața au făcut comunicarea nesigură și adesea o întrerupeau complet.
A devenit evident că undele de lumină care transportă informații trebuie să fie protejate de atmosferă. Acest lucru se poate face cu ajutorul ghidurilor de undă - tuburi metalice subțiri, uniforme și foarte netede în interior.
Dar inginerii și economiștii au recunoscut imediat dificultățile implicate în realizarea unor ghiduri de undă absolut netede și chiar. Ghidurile de undă erau mai scumpe decât aurul. Se pare că jocul nu a meritat lumânarea.
Ei au trebuit să caute modalități fundamental noi de a crea ghiduri mondiale. Trebuia să se asigure că ghidajele de lumină nu erau făcute din metal, ci dintr-o materie primă ieftină, nerare. A fost nevoie de zeci de ani pentru a dezvolta fibre optice adecvate pentru transmiterea informațiilor folosind lumina.
Prima astfel de fibră este realizată din sticlă ultra-pură. A fost creat un miez coaxial cu două straturi și o structură de înveliș. Tipurile de sticlă au fost alese astfel încât miezul să aibă un indice de refracție mai mare decât placarea.
Reflexie internă aproape totală în mediul optic
Dar cum să conectați diferite ochelari, astfel încât să nu existe defecte la limita dintre miez și carcasă? Cum să obțineți netezime, uniformitate și, în același timp, rezistența maximă a fibrei?
Prin eforturile oamenilor de știință și inginerilor, a fost creată în sfârșit fibra optică dorită. Astăzi, semnalele luminoase sunt transmise pe sute și mii de kilometri prin ea. Dar care sunt legile de propagare a energiei luminoase pe medii conductoare nemetalice (dielectrice)?
Moduri de fibră
Fibrele monomodale și multimodale aparțin fibrelor optice prin care se deplasează lumina, experimentând acte de reflexie internă repetată la interfața miez-placare (experții înțeleg oscilațiile naturale ale sistemului rezonator prin „mod”).
Modurile fibrei sunt propriile sale unde, adică. cele care sunt captate de miezul fibrei și răspândite de-a lungul fibrei de la începutul ei până la sfârșitul acesteia.
Tipul de fibră este determinat de designul său: componentele din care sunt realizate miezul și placarea, precum și raportul dintre dimensiunile fibrei și lungimea de undă utilizată (ultimul parametru este deosebit de important).
În fibrele monomode, diametrul miezului trebuie să fie aproape de lungimea de undă naturală. Dintre multele valuri, miezul fibrei captează doar una dintre propriile unde. Prin urmare, fibra (ghid de lumină) se numește monomod.
Dacă diametrul miezului depășește lungimea unei anumite unde, atunci fibra este capabilă să conducă câteva zeci sau chiar sute de unde diferite simultan. Așa funcționează fibra multimodală.
Transmiterea informațiilor prin lumină prin fibre optice
Lumina este injectată în fibra optică numai dintr-o sursă adecvată. Cel mai adesea - de la un laser. Dar nimic nu este perfect prin natura sa. Prin urmare, fasciculul laser, în ciuda monocromaticității sale inerente, conține încă un anumit spectru de frecvență sau, cu alte cuvinte, emite o anumită gamă de lungimi de undă.
Ce în afară de un laser poate servi ca sursă de lumină pentru fibrele optice? LED-uri de luminozitate ridicată. Cu toate acestea, directivitatea radiației din ele este mult mai mică decât cea a laserelor.Prin urmare, de zeci și sute de ori mai puțină energie este introdusă în fibră de către diodele incendiate decât de către laser.
Când un fascicul laser este îndreptat spre miezul fibrei, fiecare undă îl lovește la un unghi strict definit. Aceasta înseamnă că diferite unde proprii (moduri) pentru același interval de timp trec prin fibre (de la începutul până la sfârșit) căi de lungimi diferite. Aceasta este dispersia undelor.
Și ce se întâmplă cu semnalele? Trecând pe o cale diferită în fibră pentru același interval de timp, ei pot ajunge la capătul liniei într-o formă distorsionată.Experții numesc acest fenomen dispersie în mod.
Miezul și învelișul fibrei sunt asemănătoare. deja menționate, sunt din sticlă cu indici diferiți de refracție. Iar indicele de refracție al oricărei substanțe depinde de lungimea de undă a luminii care afectează substanța. Prin urmare, există o dispersie de materie, sau cu alte cuvinte, o dispersie de material.
Lungimea de undă, modul, dispersia materialului sunt trei factori care afectează negativ transmiterea energiei luminoase prin fibrele optice.
Nu există dispersie de mod în fibrele cu un singur mod. Prin urmare, astfel de fibre pot transmite de sute de ori mai multe informații pe unitatea de timp decât fibrele multimode. Dar dispersiile de unde și materiale?
În fibrele monomode, se încearcă să se asigure că, în anumite condiții, dispersiile de unde și de material se anulează reciproc. Ulterior, a fost posibil să se creeze o astfel de fibră, unde efectul negativ al modului și al dispersiei undelor a fost slăbit semnificativ. Cum te-ai descurcat?
Am selectat graficul dependenței modificării indicelui de refracție al materialului fibros cu o modificare a distanței acestuia față de axă (de-a lungul razei) conform legii parabolice. Lumina călătorește de-a lungul unei astfel de fibre fără a experimenta mai multe acte de reflexie totală la interfața nucleu-cladding.
Cabinet de distributie comunicatii. Cablurile galbene sunt fibre monomodale, cablurile portocalii și albastre sunt fibre multimodale
Căile luminii captate de fibra optică sunt diferite. Unele raze se răspândesc de-a lungul axei miezului, deviând de la acesta într-o direcție sau alta la distanțe egale („șarpe”), altele situate în planurile care traversează axa fibrei formează un set de spirale. Raza unora rămâne constantă, razele altora se modifică periodic. Astfel de fibre se numesc refractive sau gradient.
Este foarte important de știut; la ce unghi limitator trebuie să fie îndreptată lumina către capătul fiecărei fibre optice. Aceasta determină câtă lumină va pătrunde în fibră și va fi condusă de la începutul până la sfârșitul liniei optice. Acest unghi este determinat de deschiderea numerică a fibrei (sau pur și simplu - deschiderea).
Comunicare optică
FOCL
Ca linii de comunicație optică (FOCL), fibrele optice, ele însele subțiri și fragile, nu pot fi folosite. Fibrele sunt folosite ca materie primă pentru producția de cabluri de fibră optică (FOC). FOC-urile sunt produse într-o varietate de modele, forme și scopuri.
În ceea ce privește rezistența și fiabilitatea, FOC-urile nu sunt inferioare prototipurilor lor intensive în metal și pot fi așezate în aceleași medii ca și cablurile cu conductori metalici - în aer, sub pământ, pe fundul râurilor și mărilor. WOK este mult mai ușor.Important, FOC-urile sunt complet insensibile la perturbațiile electrice și influențele magnetice. La urma urmei, este dificil să faci față unei astfel de interferențe în cablurile metalice.
Cablurile optice de prima generație în anii 1980 și 1990 au înlocuit cu succes autostrăzile coaxiale dintre centralele telefonice automate. Lungimea acestor linii nu depășea 10-15 km, dar semnalizatorii au răsuflat uşuraţi când a devenit posibilă transmiterea tuturor informaţiilor necesare fără regeneratoare intermediare.
O mare sursă de „spațiu de locuit” a apărut în canalele de comunicare, iar conceptul de „strângere a informațiilor” și-a pierdut relevanța. Ușor, subțire și suficient de flexibil, FOC a fost așezat fără dificultate în telefonul subteran existent.
La centrala telefonică automată a fost necesar să se adauge un echipament simplu care convertește semnalele optice în electrice (la intrarea de la stația anterioară) și electrice în optice (la ieșirea către stația următoare). Toate echipamentele de comutare, liniile de abonat și telefoanele acestora nu au suferit modificări. Totul s-a dovedit, după cum se spune, ieftin și vesel.
Instalare cablu fibră optică în oraș
Instalarea cablului optic pe suportul liniei aeriene de transmisie
Prin liniile de comunicații optice moderne, informațiile sunt transmise nu în formă analogică (continuă), ci în formă discretă (digitală).
Linii de comunicare optică, au permis în ultimii 30-40 de ani să realizeze transformări revoluţionare în tehnologiile de comunicare şi relativ rapid pentru o perioadă lungă de timp să pună capăt problemei „etanşeităţii informaţionale” în canalele de transmitere a informaţiei.Dintre toate mijloacele de comunicare și transmisie, informațiile, liniile de comunicații optice ocupă o poziție de lider și vor domina pe tot parcursul secolului XXI.
În plus:
Principiul conversiei și transmiterii informațiilor pe fibre optice