Optische communicatiesystemen: doel, ontstaansgeschiedenis, voordelen
Hoe is de elektrische aansluiting tot stand gekomen?
De prototypes van moderne communicatiesystemen verschenen in de vorige eeuw en tegen het einde van hun telegraafdraden had de hele wereld verstrikt. Honderdduizenden telegrammen werden over hen verzonden en al snel kon de telegraaf de lading niet meer aan. Verzendingen waren vertraagd en er was nog steeds geen interlokale telefoon- en radiocommunicatie.
Aan het begin van de 20e eeuw werd de elektronenbuis uitgevonden. Radiotechnologie begon zich snel te ontwikkelen, de basis van elektronica werd gelegd. Signaalgevers hebben geleerd radiogolven niet alleen door de ruimte (door de lucht) te verzenden, maar ook over draden en communicatiekabels.
Het gebruik van radiogolven diende als basis voor het comprimeren van het duurste en inefficiëntste deel van informatietransmissiesystemen - lineaire apparaten. Door de lijn in frequentie, in tijd, te comprimeren met behulp van speciale methoden voor het "verpakken" van informatie, is het tegenwoordig mogelijk om tienduizenden verschillende berichten per tijdseenheid op een enkele lijn te verzenden. Dergelijke communicatie wordt multichannel genoemd.
De grenzen tussen verschillende soorten communicatie begonnen te vervagen. Ze vulden elkaar harmonieus aan, telegraaf, telefoon, radio en later televisie, radiorelais en later satelliet, ruimtecommunicatie waren verenigd in een gemeenschappelijk elektrisch communicatiesysteem.
Moderne communicatietechnologieën
Informatiedichtheid van communicatiekanalen
In de kanalen voor informatieoverdracht werken golven met een lengte van 3000 km tot 4 mm. De apparatuur is in bedrijf in staat om 400 megabits per seconde over een communicatiekanaal te verzenden (400 Mbit/s is 400 miljoen bits per seconde). Als we een brief in deze volgorde voor 1 bit nemen, dan is 400 Mbit een bibliotheek van 500 delen met elk 20 gedrukte bladen).
Zijn de huidige elektrische communicatiemiddelen vergelijkbaar met hun prototypes uit de vorige eeuw? Vrijwel hetzelfde als een springvliegtuig. Ondanks alle perfectie van apparatuur in moderne communicatiekanalen, is het helaas te druk: veel dichterbij dan in de jaren 90 van de vorige eeuw.
Telegraafdraden in Cincinnati, VS (begin 20e eeuw)
Een vrouw luistert via een koptelefoon naar de radio, 28 maart 1923.
Er is een tegenstelling tussen de groeiende behoefte aan informatieoverdracht en de basiseigenschappen van de fysieke processen die momenteel in communicatiekanalen worden gebruikt. Om de "informatiedichtheid" te verdunnen, is het noodzakelijk om steeds kortere golven te overwinnen, dat wil zeggen om steeds hogere frequenties te beheersen. De aard van elektromagnetische oscillaties is zodanig dat hoe hoger hun frequentie is, hoe meer informatie per tijdseenheid kan worden verzonden via het communicatiekanaal.
Maar met alle grotere moeilijkheden waarmee communicators te maken hebben: met een afname van de golf nemen de interne (intrinsieke) ruis van de ontvangende apparaten sterk toe, neemt het vermogen van de generatoren af en neemt de efficiëntie aanzienlijk af. zenders en van alle verbruikte elektriciteit wordt slechts een klein deel omgezet in bruikbare radiogolfenergie.
De uitgangstransformator van het buizentransmissiecircuit van het radiostation Nauen in Duitsland met een bereik van meer dan 20.000 kilometer (oktober 1930)
De eerste UHF-radiocommunicatie werd tot stand gebracht tussen het Vaticaan en de zomerresidentie van paus Pius XI, 1933.
Ultrakorte golven (UHF) verliezen onderweg hun energie catastrofaal snel. Daarom moeten berichtensignalen te vaak worden versterkt en geregenereerd (hersteld) en moeten we onze toevlucht nemen tot complexe en dure apparatuur. Communicatie in het centimeterbereik van radiogolven, laat staan het millimeterbereik, stuit op tal van obstakels.
Nadelen van elektrische communicatiekanalen
Bijna alle moderne elektrische communicatie is meerkanaals. Om op een 400 Mbit / s-kanaal uit te zenden, moet u werken in het decimimeterbereik van radiogolven. Dit kan alleen in aanwezigheid van zeer complexe apparatuur en natuurlijk een speciale hoogfrequente (coaxiale) kabel, die uit een of meer coaxiale paren bestaat.
In elk paar zijn de buitenste en binnenste geleiders coaxiale cilinders. Twee van dergelijke paren kunnen tegelijkertijd 3.600 telefoontjes of meerdere tv-programma's verzenden. In dit geval moeten de signalen echter elke 1,5 km worden versterkt en geregenereerd.
Een stijlvolle seingever in de jaren 20
Communicatiekanalen worden gedomineerd door kabellijnen. Ze zijn beschermd tegen invloeden van buitenaf, elektrische en magnetische storingen. De kabels zijn duurzaam en betrouwbaar in gebruik, ze zijn handig om in verschillende omgevingen te leggen.
De productie van kabels en communicatiedraden neemt echter meer dan de helft van de wereldproductie van non-ferrometalen in beslag, waarvan de reserves snel slinken.
Het metaal wordt steeds duurder. En de productie van kabels, vooral coaxkabels, is een complexe en extreem energie-intensieve business. En de behoefte daaraan groeit. Daarom is het niet moeilijk om je voor te stellen wat de kosten zijn voor de aanleg van communicatielijnen en hun werking.
Installatie van een kabellijn in New York, 1888.
Het communicatienetwerk is de meest spectaculaire en dure structuur die de mens ooit op aarde heeft gemaakt. Hoe het verder te ontwikkelen, als al in de jaren 50 van de twintigste eeuw duidelijk werd dat telecommunicatie de drempel van zijn economische haalbaarheid naderde?
Voltooiing van de transcontinentale telefoonlijn, Wendover, Utah, 1914.
Om "informatiedichtheid in communicatiekanalen te elimineren, was het nodig om te leren hoe de optische bereiken van elektromagnetische oscillaties te gebruiken. Lichtgolven hebben immers miljoenen keren meer trillingen dan VHF.
Als er een optisch communicatiekanaal zou ontstaan, zou het mogelijk zijn om tegelijkertijd enkele duizenden televisieprogramma's en nog veel meer telefoongesprekken en radio-uitzendingen door te geven.
De taak leek ontmoedigend. Maar op weg naar de oplossing ontstond er een soort labyrint van problemen voor de wetenschappers en seingevers. XX eeuwen wist niemand hoe het te overwinnen.
"Sovjettelevisie en radio" - tentoonstelling in "Sokolniki" park, Moskou, 5 augustus 1959.
Lasers
In 1960 werd een verbazingwekkende lichtbron gecreëerd - een laser of optische kwantumgenerator (LQG). Dit apparaat heeft unieke eigenschappen.
Het is onmogelijk om in een kort artikel over het werkingsprincipe en het apparaat van verschillende lasers te vertellen. Er stond al een uitgebreid artikel over lasers op onze website: Het apparaat en het werkingsprincipe van lasers… Hier beperken we ons tot het opsommen van alleen die kenmerken van de laser die de aandacht van communicatiemedewerkers hebben getrokken.
Ted Mayman, contra-instructeur van de eerste werkende laser, 1960.
Laten we allereerst de coherentie van de straling aangeven. Laserlicht is bijna monochromatisch (één kleur) en divergeert in de ruimte maal minder dan het licht van het meest perfecte zoeklicht. De energie geconcentreerd in de naaldstraal van de laser is erg hoog. Het waren deze en enkele andere eigenschappen van de laser die communicatiemedewerkers ertoe brachten de laser te gebruiken voor optische communicatie.
De eerste ontwerpen werden als volgt samengevat. Als je een laser als generator gebruikt en zijn straal moduleert met een berichtsignaal, krijg je een optische zender. Door de straal naar de lichtontvanger te richten, krijgen we een optisch communicatiekanaal. Geen draden, geen kabels. De communicatie zal plaatsvinden via de ruimte (open lasercommunicatie).
Ervaring met lasers in een science lab
Laboratoriumexperimenten bevestigden op briljante wijze de hypothese van communicatiewerkers. En al snel was er gelegenheid om deze relatie in de praktijk te testen.Helaas kwam de hoop van seingevers op open lasercommunicatie op aarde niet uit: regen, sneeuw, mist maakten de communicatie onzeker en sloten deze vaak volledig af.
Het werd duidelijk dat lichtgolven die informatie bevatten door de atmosfeer moeten worden afgeschermd. Dit kan worden gedaan met behulp van golfgeleiders - dunne, uniforme en zeer gladde metalen buizen aan de binnenkant.
Maar ingenieurs en economen zagen onmiddellijk de moeilijkheden in die gepaard gaan met het maken van absoluut gladde en gelijkmatige golfgeleiders. Golfgeleiders waren duurder dan goud. Blijkbaar was het spel de kaars niet waard.
Ze moesten op zoek naar fundamenteel nieuwe manieren om wereldgidsen te maken. Er moest voor worden gezorgd dat de lichtgeleiders niet van metaal waren, maar van een goedkope, niet-schaarse grondstof. Het heeft tientallen jaren geduurd om optische vezels te ontwikkelen die geschikt zijn voor het overbrengen van informatie met behulp van licht.
De eerste dergelijke vezel is gemaakt van ultrapuur glas. Er is een tweelaagse coaxiale kern- en schaalstructuur gemaakt. De glassoorten zijn zo gekozen dat de kern een hogere brekingsindex heeft dan de mantel.
Bijna totale interne reflectie in het optische medium
Maar hoe verbind je verschillende glazen zodat er geen defecten zijn op de grens tussen de kern en de schaal? Hoe gladheid, uniformiteit en tegelijkertijd maximale vezelsterkte bereiken?
Door de inspanningen van wetenschappers en ingenieurs is uiteindelijk de gewenste glasvezel ontstaan. Tegenwoordig worden er honderden en duizenden kilometers lichtsignalen doorheen gestuurd. Maar wat zijn de wetten van de voortplanting van lichtenergie op niet-metalen (diëlektrische) geleidende media?
Vezelmodi
Single-mode- en multimode-vezels behoren tot optische vezels waardoor licht reist en waarbij herhaalde interne reflectie optreedt bij de kernbekledingsinterface (experts bedoelen de natuurlijke oscillaties van het resonatorsysteem met "modus").
De modi van de vezel zijn zijn eigen golven, d.w.z. degenen die worden opgevangen door de kern van de vezel en zich van het begin tot het einde langs de vezel verspreiden.
Het type vezel wordt bepaald door het ontwerp: de componenten waaruit de kern en de bekleding zijn gemaakt, evenals de verhouding tussen de afmetingen van de vezel en de gebruikte golflengte (de laatste parameter is vooral belangrijk).
In single-mode vezels moet de kerndiameter dicht bij de natuurlijke golflengte liggen. Van de vele golven vangt de kern van de vezel slechts één van zijn eigen golven op. Daarom wordt de vezel (lichtgeleider) single-mode genoemd.
Als de diameter van de kern de lengte van een bepaalde golf overschrijdt, kan de vezel meerdere tientallen of zelfs honderden verschillende golven tegelijk geleiden. Dit is hoe multimode glasvezel werkt.
Overdracht van informatie door licht via optische vezels
Licht wordt alleen in de optische vezel geïnjecteerd vanuit een geschikte bron. Meestal - van een laser. Maar niets is van nature perfect. Daarom bevat de laserstraal, ondanks zijn inherente monochromaticiteit, nog steeds een bepaald frequentiespectrum, of met andere woorden, zendt hij een bepaald golflengtebereik uit.
Wat kan naast een laser dienen als lichtbron voor optische vezels? LED's met hoge helderheid. De gerichtheid van de straling daarin is echter veel kleiner dan die van lasers.Daarom wordt door de geschroeide diodes tientallen en honderden keren minder energie in de vezel gebracht dan door de laser.
Wanneer een laserstraal op de kern van de vezel wordt gericht, treft elke golf deze onder een strikt gedefinieerde hoek. Dit betekent dat verschillende eigengolven (modi) voor hetzelfde tijdsinterval door de vezel gaan (van het begin tot het einde) paden van verschillende lengtes. Dit is golfverspreiding.
En wat gebeurt er met de signalen? Als ze gedurende hetzelfde tijdsinterval een ander pad in de vezel passeren, kunnen ze het einde van de lijn in een vervormde vorm bereiken.Deskundigen noemen dit fenomeen mode-dispersie.
De kern en de mantel van de vezel zijn als. al genoemd, ze zijn gemaakt van glas met verschillende brekingsindices. En de brekingsindex van elke stof hangt af van de golflengte van het licht dat de stof beïnvloedt. Daarom is er een verstrooiing van materie, of met andere woorden, een materiële verstrooiing.
Golflengte, modus, materiaalverspreiding zijn drie factoren die de transmissie van lichtenergie door optische vezels negatief beïnvloeden.
Er is geen modusdispersie in single-mode vezels. Daarom kunnen dergelijke vezels honderden keren meer informatie per tijdseenheid verzenden dan multimode-vezels. Hoe zit het met de verspreiding van golven en materialen?
Bij single-mode vezels wordt getracht ervoor te zorgen dat onder bepaalde omstandigheden de golf- en materiaalverspreiding elkaar opheffen. Vervolgens was het mogelijk om zo'n vezel te maken, waarbij het negatieve effect van modus en golfverspreiding aanzienlijk werd verzwakt. Hoe heb je het geregeld?
We selecteerden de grafiek van de afhankelijkheid van de verandering in de brekingsindex van het vezelmateriaal met een verandering in de afstand tot de as (langs de straal) volgens de parabolische wet. Licht reist langs zo'n vezel zonder meerdere totale reflectie-acties te ervaren op het grensvlak tussen de kern en de bekleding.
Communicatie verdeelkast. Gele kabels zijn single-mode vezels, oranje en blauwe kabels zijn multimode vezels
De paden van het licht dat door de optische vezel wordt opgevangen, zijn verschillend. Sommige stralen verspreiden zich langs de as van de kern, wijken ervan af in een of andere richting op gelijke afstanden ("slang"), andere liggen in de vlakken die de as van de vezel kruisen en vormen een reeks spiralen. De straal van sommige blijft constant, de stralen van andere veranderen periodiek. Dergelijke vezels worden breking of gradiënt genoemd.
Het is erg belangrijk om te weten; onder welke grenshoek moet het licht naar het uiteinde van elke optische vezel worden gericht. Dit bepaalt hoeveel licht de vezel binnenkomt en van het begin tot het einde van de optische lijn wordt geleid. Deze hoek wordt bepaald door de numerieke opening van de vezel (of eenvoudigweg de opening).
Optische communicatie
FOCL
Als optische communicatielijnen (FOCL) kunnen optische vezels, die zelf dun en kwetsbaar zijn, niet worden gebruikt. Vezels worden gebruikt als grondstof voor de productie van glasvezelkabels (FOC). FOC's worden geproduceerd in verschillende ontwerpen, vormen en doeleinden.
In termen van sterkte en betrouwbaarheid doen FOC's niet onder voor hun metaalintensieve prototypes en kunnen ze in dezelfde omgevingen worden gelegd als kabels met metalen geleiders - in de lucht, ondergronds, op de bodem van rivieren en zeeën. WOK is veel gemakkelijker.Belangrijk is dat FOC's volledig ongevoelig zijn voor elektrische storingen en magnetische invloeden. Het is immers moeilijk om met dergelijke interferentie in metalen kabels om te gaan.
Optische kabels van de eerste generatie in de jaren tachtig en negentig hebben met succes de coaxiale snelwegen tussen automatische telefooncentrales vervangen. De lengte van deze lijnen was niet groter dan 10-15 km, maar de seingevers slaakten een zucht van verlichting toen het mogelijk werd om alle benodigde informatie door te geven zonder tussenliggende regeneratoren.
Er verscheen een groot aanbod van "leefruimte" in communicatiekanalen en het concept van "informatiedichtheid" verloor zijn relevantie. Licht, dun en flexibel genoeg, werd de FOC zonder problemen in de bestaande ondergrondse telefoon geplaatst.
Bij de automatische telefooncentrale was het nodig om eenvoudige apparatuur toe te voegen die optische signalen omzet naar elektrisch (aan de ingang van het vorige station) en elektrisch naar optisch (aan de uitgang naar het volgende station). Alle schakelapparatuur, abonneelijnen en hun telefoons hebben geen wijzigingen ondergaan. Alles bleek, zoals ze zeggen, goedkoop en opgewekt.
Installatie van glasvezelkabel in de stad
Installatie van optische kabel op de steun van de bovengrondse transmissielijn
Via moderne optische communicatielijnen wordt informatie niet in analoge (continue) vorm verzonden, maar in discrete (digitale) vorm.
Optische communicatielijnen hebben de afgelopen 30-40 jaar revolutionaire transformaties in communicatietechnologieën mogelijk gemaakt en relatief snel gedurende een lange periode een einde gemaakt aan het probleem van "informatiedichtheid" in informatietransmissiekanalen.Van alle communicatie- en transmissiemiddelen, informatie, nemen optische communicatielijnen een leidende positie in en zullen ze de hele 21e eeuw domineren.
Aanvullend:
Het principe van conversie en overdracht van informatie over optische vezels