Optiske kommunikationssystemer: formål, skabelseshistorie, fordele
Hvordan opstod den elektriske forbindelse?
Prototyperne af moderne kommunikationssystemer dukkede op i det sidste århundrede og havde ved slutningen af deres telegrafledninger viklet hele verden ind. Hundredtusinder af telegrammer blev sendt over dem, og snart holdt telegrafen op med at klare belastningen. Udsendelserne var forsinkede, og der var stadig ingen langdistancetelefon- og radiokommunikation.
I begyndelsen af det 20. århundrede blev elektronrøret opfundet. Radioteknologi begyndte at udvikle sig hurtigt, grundlaget for elektronik blev lagt. Signalgivere har lært at transmittere radiobølger ikke kun gennem rummet (gennem luften), men også at sende dem over ledninger og gennem kommunikationskabler.
Brugen af radiobølger tjente som grundlag for at komprimere den dyreste og ineffektive del af informationstransmissionssystemer - lineære enheder. Ved at komprimere linjen i frekvens, i tid, ved hjælp af specielle metoder til at "pakke" information, er det i dag muligt at transmittere titusindvis af forskellige meddelelser på en enkelt linje pr. tidsenhed. Sådan kommunikation kaldes multikanal.
Grænserne mellem forskellige typer kommunikation begyndte at udviskes. De komplementerede harmonisk hinanden, telegraf, telefon, radio og senere fjernsyn, radiorelæ og senere satellit, rumkommunikation blev forenet i et fælles elektrisk kommunikationssystem.
Moderne kommunikationsteknologier
Informationstæthed af kommunikationskanaler
Bølger med en længde på 3000 km til 4 mm arbejder i informationstransmissionskanalerne. Udstyret er i drift og er i stand til at transmittere 400 megabit per sekund over en kommunikationskanal (400 Mbit/s er 400 millioner bit per sekund). Hvis vi tager et bogstav i denne rækkefølge for 1 bit, så vil 400 Mbit udgøre et bibliotek på 500 bind, hver med 20 trykte ark).
Er de nuværende elektriske kommunikationsmidler lig deres prototyper fra forrige århundrede? Stort set det samme som et springfly. På trods af al perfektion af udstyr i moderne kommunikationskanaler, desværre, er det for overfyldt: meget tættere på end i 90'erne i forrige århundrede.
Telegrafledninger i Cincinnati, USA (begyndelsen af det 20. århundrede)
En kvinde lytter til radio gennem hovedtelefoner, 28. marts 1923.
Der er en modsætning mellem det voksende behov for informationstransmission og de grundlæggende egenskaber ved de fysiske processer, der i dag anvendes i kommunikationskanaler. For at fortynde "informationstætheden" er det nødvendigt at erobre kortere og kortere bølger, det vil sige at mestre højere og højere frekvenser. Karakteren af elektromagnetiske svingninger er sådan, at jo højere deres frekvens, jo mere information pr. tidsenhed kan transmitteres over kommunikationskanalen.
Men med alle de større vanskeligheder, som kommunikatører skal stå over for: med et fald i bølgen stiger de interne (iboende) støj fra de modtagende enheder kraftigt, generatorernes effekt falder, og effektiviteten falder betydeligt. sendere, og af al den forbrugte elektricitet bliver kun en lille del omdannet til nyttig radiobølgeenergi.
Udgangstransformatoren til rørtransmissionskredsløbet på Nauen-radiostationen i Tyskland med en rækkevidde på over 20.000 kilometer (oktober 1930)
Den første UHF-radiokommunikation blev etableret mellem Vatikanet og pave Pius XI's sommerresidens, 1933.
Ultra korte bølger (UHF) mister deres energi katastrofalt hurtigt undervejs. Derfor skal beskedsignaler forstærkes og regenereres (gendannes) for ofte.Vi er nødt til at ty til komplekst og dyrt udstyr. Kommunikation i radiobølgernes centimeterområde, endsige millimeterområdet, står over for adskillige forhindringer.
Ulemper ved elektriske kommunikationskanaler
Næsten al moderne elektrisk kommunikation er multi-kanal. For at sende på en 400 Mbit/s kanal skal du arbejde i decimimeterområdet for radiobølger. Dette er kun muligt i nærværelse af meget komplekst udstyr og selvfølgelig et specielt højfrekvent (koaksial) kabel, som består af et eller flere koaksiale par.
I hvert par er de ydre og indre ledere koaksiale cylindre. To sådanne par kan samtidig transmittere 3.600 telefonopkald eller flere tv-programmer. I dette tilfælde skal signalerne dog forstærkes og regenereres hver 1,5 km.
En stilfuld signalmand i 1920'erne
Kommunikationskanaler er domineret af kabellinjer. De er beskyttet mod ydre påvirkninger, elektriske og magnetiske forstyrrelser. Kablerne er holdbare og pålidelige i drift, de er praktiske til at lægge i forskellige miljøer.
Produktionen af kabler og kommunikationsledninger tager dog mere end halvdelen af verdens produktion af ikke-jernholdige metaller, hvis reserver hurtigt svinder ind.
Metallet bliver dyrere. Og produktionen af kabler, især koaksiale, er en kompleks og ekstremt energikrævende forretning. Og behovet for dem vokser. Derfor er det ikke svært at forestille sig, hvad omkostningerne er for konstruktionen af kommunikationslinjer og deres drift.
Installation af en kabelledning i New York, 1888.
Kommunikationsnetværket er den mest spektakulære og dyre struktur, som mennesket nogensinde har skabt på Jorden. Hvordan udvikler man det yderligere, hvis det allerede i 50'erne af det XX århundrede blev klart, at telekommunikation nærmede sig tærsklen for dets økonomiske gennemførlighed?
Færdiggørelse af den transkontinentale telefonlinje, Wendover, Utah, 1914.
For at eliminere "informationstæthed i kommunikationskanaler, var det nødvendigt at lære at bruge de optiske områder af elektromagnetiske svingninger. Lysbølger har trods alt millioner af gange flere vibrationer end VHF.
Hvis der blev skabt en optisk kommunikationskanal, ville det være muligt at transmittere flere tusinde tv-programmer og mange flere telefonopkald og radioudsendelser samtidigt.
Opgaven virkede skræmmende. Men på vej mod dens løsning opstod der en slags labyrint af problemer foran videnskabsmændene og signalmændene. XX århundreder vidste ingen, hvordan man skulle overvinde det.
"Sovjetisk fjernsyn og radio" - udstilling i "Sokolniki"-parken, Moskva, 5. august 1959.
Lasere
I 1960 blev en fantastisk lyskilde skabt - en laser eller optisk kvantegenerator (LQG). Denne enhed har unikke egenskaber.
Det er umuligt at fortælle om princippet om drift og enheden af forskellige lasere i en kort artikel. Der var allerede en detaljeret artikel om lasere på vores hjemmeside: Enheden og princippet om drift af lasere… Her begrænser vi os til kun at opregne de egenskaber ved laseren, som har tiltrukket kommunikationsmedarbejderes opmærksomhed.
Ted Mayman, modinstruktør af den første arbejdende laser, 1960.
Først og fremmest, lad os angive sammenhængen af strålingen. Laserlys er næsten monokromatisk (en farve) og divergerer i rummet gange mindre end lyset fra det mest perfekte søgelys. Energien koncentreret i laserens nålestråle er meget høj. Det var disse og nogle andre egenskaber ved laseren, der fik kommunikationsarbejdere til at bruge laseren til optisk kommunikation.
De første udkast blev opsummeret som følger. Hvis du bruger en laser som generator og modulerer dens stråle med et meddelelsessignal, får du en optisk sender. Ved at rette strålen til lysmodtageren får vi en optisk kommunikationskanal. Ingen ledninger, ingen kabler. Kommunikation vil ske gennem rummet (åben laserkommunikation).
Erfaring med lasere i et videnskabeligt laboratorium
Laboratorieeksperimenter bekræftede glimrende hypotesen om kommunikationsarbejdere. Og snart var der mulighed for at teste dette forhold i praksis.Desværre gik signalmændenes håb om åben laserkommunikation på Jorden ikke i opfyldelse: Regn, sne, tåge gjorde kommunikationen usikker og afbrød den ofte fuldstændig.
Det blev tydeligt, at lysbølger, der bærer information, skal være afskærmet af atmosfæren. Dette kan gøres ved hjælp af bølgeledere - tynde, ensartede og meget glatte metalrør indeni.
Men ingeniører og økonomer erkendte straks vanskelighederne ved at lave helt glatte og jævne bølgeledere. Bølgeledere var dyrere end guld. Tilsyneladende var spillet ikke stearinlyset værd.
De måtte lede efter fundamentalt nye måder at skabe verdensguider på. Det skulle sikres, at lyslederne ikke var lavet af metal, men af nogle billige, ikke-knappe råvarer. Det tog årtier at udvikle optiske fibre, der er egnede til at transmittere information ved hjælp af lys.
Den første sådan fiber er lavet af ultrarent glas. En to-lags koaksial kerne og skalstruktur blev skabt. Glastyperne er valgt således, at kernen har et højere brydningsindeks end beklædningen.
Næsten total intern refleksion i det optiske medium
Men hvordan forbinder man forskellige glas, så der ikke er defekter ved grænsen mellem kernen og skallen? Hvordan opnås glathed, ensartethed og samtidig maksimal fiberstyrke?
Gennem indsats fra videnskabsmænd og ingeniører blev den ønskede optiske fiber endelig skabt. I dag transmitteres lyssignaler over hundreder og tusinder af kilometer gennem det. Men hvad er lovene for udbredelse af lysenergi på ikke-metalliske (dielektriske) ledende medier?
Fibertilstande
Single-mode og multimode fibre tilhører optiske fibre, gennem hvilke lys bevæger sig og oplever handlinger af gentagen intern refleksion ved kerne-beklædningsgrænsefladen (eksperter mener de naturlige svingninger i resonatorsystemet med "tilstand").
Fiberens tilstande er dens egne bølger, dvs. dem, der fanges af fiberens kerne og spredes langs fiberen fra dens begyndelse til dens ende.
Fibertypen bestemmes af dens design: komponenterne, hvorfra kernen og beklædningen er lavet, såvel som forholdet mellem dimensionerne af fiberen og den anvendte bølgelængde (den sidste parameter er især vigtig).
I single-mode fibre skal kernediameteren være tæt på den naturlige bølgelængde. Af de mange bølger fanger fiberens kerne kun en af sine egne bølger. Derfor kaldes fiberen (lyslederen) single-mode.
Hvis kernens diameter overstiger længden af en bestemt bølge, er fiberen i stand til at lede flere tiere eller endda hundredvis af forskellige bølger på én gang. Sådan fungerer multimode fiber.
Transmission af information med lys gennem optiske fibre
Lys sprøjtes kun ind i den optiske fiber fra en passende kilde. Oftest - fra en laser. Men intet er perfekt af natur. Derfor indeholder laserstrålen, på trods af sin iboende monokromaticitet, stadig et bestemt frekvensspektrum, eller med andre ord, udsender et bestemt bølgelængdeområde.
Hvad udover en laser kan tjene som lyskilde for optiske fibre? LED'er med høj lysstyrke. Imidlertid er retningsvirkningen af strålingen i dem meget mindre end lasere.Derfor indføres ti og hundredvis af gange mindre energi i fiberen af de singede dioder end af laseren.
Når en laserstråle er rettet mod fiberens kerne, rammer hver bølge den i en strengt defineret vinkel. Dette betyder, at forskellige egenbølger (modes) i samme tidsinterval passerer gennem fiberen (fra dens begyndelse til slutningen) stier af forskellig længde. Dette er bølgespredning.
Og hvad sker der med signalerne? Passerer de en anden vej i fiberen i samme tidsinterval, kan de nå slutningen af linjen i en forvrænget form. Eksperter kalder dette fænomen for mode dispersion.
Kernen og kappen af fiberen er ligesom. allerede nævnt, er de lavet af glas med forskellige brydningsindekser. Og brydningsindekset for ethvert stof afhænger af bølgelængden af lys, der påvirker stoffet. Derfor er der en spredning af stof, eller med andre ord en materiel spredning.
Bølgelængde, tilstand, materialespredning er tre faktorer, der negativt påvirker transmissionen af lysenergi gennem optiske fibre.
Der er ingen modusspredning i single-mode fibre. Derfor kan sådanne fibre transmittere hundredvis af gange mere information pr. tidsenhed end multimode fibre. Hvad med spredning af bølger og materialer?
I single-mode fibre forsøger man at sikre, at bølge- og materialedispersionerne under visse forhold udligner hinanden. Efterfølgende var det muligt at skabe en sådan fiber, hvor den negative effekt af mode og bølgespredning var væsentligt svækket. Hvordan klarede du det?
Vi valgte grafen for afhængigheden af ændringen i brydningsindekset for fibermaterialet med en ændring i dets afstand fra aksen (langs radius) i henhold til den parabolske lov. Lys bevæger sig langs en sådan fiber uden at opleve flere totalrefleksionshandlinger ved kernebeklædningsgrænsefladen.
Kommunikationsfordelingsskab. Gule kabler er single-mode fibre, orange og blå kabler er multimode fibre
Banerne for lyset, der fanges af den optiske fiber, er forskellige. Nogle stråler spredes langs kernens akse og afviger fra den i en eller anden retning med lige store afstande ("slange"), andre, der ligger i de fly, der krydser fiberens akse, danner et sæt spiraler. Radius for nogle forbliver konstant, andres radius ændres periodisk. Sådanne fibre kaldes refraktive eller gradienter.
Det er meget vigtigt at vide; i hvilken begrænsende vinkel skal lyset rettes mod enden af hver optisk fiber. Dette bestemmer, hvor meget lys der kommer ind i fiberen og ledes fra begyndelsen til slutningen af den optiske linje. Denne vinkel bestemmes af fiberens numeriske åbning (eller blot - åbningen).
Optisk kommunikation
FOCL
Som optiske kommunikationslinjer (FOCL) kan optiske fibre, i sig selv tynde og skrøbelige, ikke bruges. Fibre bruges som råmateriale til produktion af optiske fiberkabler (FOC). FOC'er produceres i en række forskellige designs, former og formål.
Med hensyn til styrke og pålidelighed er FOC'er ikke ringere end deres metalintensive prototyper og kan lægges i de samme miljøer som kabler med metalliske ledere - i luften, under jorden, på bunden af floder og have. WOK er meget nemmere.Det er vigtigt, at FOC'er er fuldstændig ufølsomme over for elektriske forstyrrelser og magnetiske påvirkninger. Det er trods alt svært at håndtere sådan interferens i metalkabler.
Optiske kabler af den første generation i 1980'erne og 1990'erne erstattede med succes koaksiale motorveje mellem automatiske telefoncentraler. Længden af disse linjer oversteg ikke 10-15 km, men signalmændene åndede lettet op, da det blev muligt at transmittere al den nødvendige information uden mellemregeneratorer.
Et stort udbud af "livsrum" dukkede op i kommunikationskanaler, og begrebet "informationstæthed" mistede sin relevans. Let, tynd og fleksibel nok blev FOC'en lagt uden besvær i den eksisterende underjordiske telefon.
Med den automatiske telefoncentral var det nødvendigt at tilføje simpelt udstyr, der konverterer optiske signaler til elektriske (ved indgangen fra forrige station) og elektriske til optiske (ved udgangen til næste station). Alt omstillingsudstyr, abonnentlinjer og deres telefoner er ikke blevet ændret. Alt viste sig, som man siger, billigt og muntert.
Installation af fiberoptisk kabel i byen
Installation af optisk kabel på understøtningen af lufttransmissionsledningen
Gennem moderne optiske kommunikationslinjer transmitteres information ikke i analog (kontinuerlig) form, men i diskret (digital) form.
Optiske kommunikationslinjer, de tillod i de sidste 30-40 år at udføre revolutionerende transformationer i kommunikationsteknologier og relativt hurtigt i en lang periode for at sætte en stopper for problemet med "informationstæthed" i informationstransmissionskanaler.Blandt alle kommunikations- og transmissionsmidler indtager information, optiske kommunikationslinjer en førende position og vil dominere gennem det XXI århundrede.
Derudover:
Princippet om konvertering og transmission af information på optiske fibre