Оптички комуникациони системи: намена, историјат настанка, предности
Како је дошло до електричног прикључка?
Прототипови савремених комуникационих система појавили су се у прошлом веку и до краја своје телеграфске жице заплели су цео свет. Преко њих су пренете стотине хиљада телеграма, а убрзо је телеграф престао да се носи са оптерећењем. Депеше су касниле и још увек није било међуградске телефонске и радио везе.
Почетком 20. века измишљена је електронска цев. Радио технологија је почела да се брзо развија, постављени су темељи електронике. Сигналисти су научили да преносе радио таласе не само кроз свемир (кроз ваздух), већ и да их шаљу преко жица и преко комуникационих каблова.
Употреба радио-таласа послужила је као основа за сабијање најскупљег и неефикаснијег дела система за пренос информација – линеарних уређаја. Сажимањем линије у фреквенцији, у времену, коришћењем посебних метода „паковања“ информација, данас је могуће пренети десетине хиљада различитих порука на једној линији у јединици времена. Таква комуникација се назива вишеканална.
Границе између различитих врста комуникације почеле су да се бришу. Складно су се допуњавали, телеграф, телефон, радио, а касније телевизија, радио релеј, а касније и сателитске, свемирске комуникације биле су обједињене у заједнички електрични комуникациони систем.
Савремене комуникационе технологије
Информациона непропусност комуникационих канала
У каналима за пренос информација раде таласи дужине од 3000 км до 4 мм. Опрема је у функцији способна да преноси 400 мегабита у секунди преко комуникационог канала (400 Мбит/с је 400 милиона бита у секунди). Ако узмемо писмо овим редоследом за 1 бит, онда ће 400 Мбита чинити библиотеку од 500 томова, сваки са 20 штампаних листова).
Да ли су садашња средства електричне комуникације слична њиховим прототиповима из прошлог века? Прилично исто као и авион за прескакање. И поред свег савршенства опреме у савременим комуникационим каналима, авај, превише је гужва: много ближе него 90-их година прошлог века.
Телеграфске жице у Синсинатију, САД (почетак 20. века)
Жена слуша радио преко слушалица, 28.03.1923.
Постоји контрадикција између растуће потребе за преносом информација и основних својстава физичких процеса који се тренутно користе у комуникационим каналима. Да би се „густина информација“ разблажила, потребно је освајати све краће таласе, односно овладавати све вишим фреквенцијама. Природа електромагнетних осцилација је таква да што је њихова фреквенција већа, то се више информација по јединици времена може пренети преко комуникационог канала.
Али уз све веће потешкоће са којима се комуникатори морају суочити: са смањењем таласа, унутрашњи (интринзични) шумови пријемних уређаја нагло се повећавају, снага генератора се смањује, а ефикасност значајно опада. предајника, а од све потрошене електричне енергије само мали део се претвара у корисну енергију радио таласа.
Излазни трансформатор цевног преносног кола радио станице Науен у Немачкој са дометом од преко 20.000 километара (октобар 1930.)
Прва УХФ радио комуникација успостављена је између Ватикана и летње резиденције папе Пија КСИ, 1933. године.
Ултра кратки таласи (УХФ) успут губе енергију катастрофално брзо. Због тога се сигнали порука морају пречесто појачавати и регенерисати (рестаурирати) и прибегавати сложеној и скупој опреми. Комуникација у центиметарском опсегу радио таласа, а камоли у милиметарском опсегу, суочава се са бројним препрекама.
Недостаци електричних комуникационих канала
Скоро све модерне електричне комуникације су вишеканалне. За пренос на каналу од 400 Мбит / с, морате радити у децимиметарском опсегу радио таласа. Ово је могуће само у присуству веома сложене опреме и, наравно, посебног високофреквентног (коаксијалног) кабла, који се састоји од једног или више коаксијалних парова.
У сваком пару, спољашњи и унутрашњи проводници су коаксијални цилиндри. Два таква пара могу истовремено да преносе 3.600 телефонских позива или неколико ТВ програма. У овом случају, међутим, сигнали морају бити појачани и регенерисани сваких 1,5 км.
Модеран сигналиста 1920-их
Комуникационим каналима доминирају кабловске линије. Заштићени су од спољашњих утицаја, електричних и магнетних сметњи. Каблови су издржљиви и поуздани у раду, погодни су за полагање у различитим окружењима.
Међутим, производња каблова и комуникационих жица заузима више од половине светске производње обојених метала, чије резерве се брзо смањују.
Метал је све скупљи. А производња каблова, посебно коаксијалних, сложен је и изузетно енергетски интензиван посао. А потреба за њима расте. Стога није тешко замислити колики су трошкови изградње комуникационих линија и њиховог рада.
Инсталација кабловске линије у Њујорку, 1888.
Комуникациона мрежа је најспектакуларнија и најскупља структура коју је човек икада створио на Земљи. Како то даље развијати, ако је већ 50-их година КСКС века постало јасно да се телекомуникације приближавају прагу своје економске изводљивости?
Завршетак трансконтиненталне телефонске линије, Вендовер, Јута, 1914.
Да би се елиминисала „густина информација у комуникационим каналима, било је неопходно научити како се користе оптички опсеги електромагнетних осцилација. На крају крајева, светлосни таласи имају милионе пута више вибрација од ВХФ.
Када би се створио оптички комуникациони канал, било би могуће истовремено емитовати неколико хиљада телевизијских програма и много више телефонских позива и радио емисија.
Задатак је изгледао застрашујући. Али на путу до његовог решења, пред научницима и сигналистима искрснуо је својеврсни лавиринт проблема. КСКС века нико није знао како да то превазиђе.
„Совјетска телевизија и радио“ — изложба у парку „Соколники“, Москва, 5. августа 1959. године.
Ласери
Године 1960. створен је невероватан извор светлости - ласерски или оптички квантни генератор (ЛКГ). Овај уређај има јединствена својства.
Немогуће је у кратком чланку рећи о принципу рада и уређају разних ласера. Већ је постојао детаљан чланак о ласерима на нашој веб страници: Уређај и принцип рада ласера… Овде се ограничавамо на набрајање само оних карактеристика ласера које су привукле пажњу комуникационих радника.
Тед Мејман, контраинструктор првог радног ласера, 1960.
Пре свега, наведите кохерентност зрачења. Ласерско светло је скоро једнобојно (једнобојно) и дивергира у простору пута мање од светлости најсавршенијег рефлектора. Енергија концентрисана у снопу игле ласера је веома висока. Управо су ове и неке друге особине ласера навеле комуникационе раднике да користе ласер за оптичку комуникацију.
Први нацрти су сажети на следећи начин. Ако користите ласер као генератор и модулирате његов сноп сигналом поруке, добијате оптички предајник. Усмеравајући сноп на пријемник светлости, добијамо оптички комуникациони канал. Без жица, без каблова. Комуникација ће бити кроз свемир (отворена ласерска комуникација).
Искуство са ласерима у научној лабораторији
Лабораторијски експерименти су сјајно потврдили хипотезу комуникационих радника. И убрзо се појавила прилика да се овај однос тестира у пракси.Нажалост, наде сигналиста за отворену ласерску комуникацију на Земљи нису се обистиниле: киша, снег, магла чинили су комуникацију неизвесном и често је потпуно прекидали.
Постало је очигледно да светлосни таласи који носе информације морају бити заштићени атмосфером. Ово се може урадити уз помоћ таласовода - танких, уједначених и веома глатких металних цеви изнутра.
Али инжењери и економисти су одмах препознали потешкоће у прављењу апсолутно глатких и равномерних таласовода. Таласноводи су били скупљи од злата. Очигледно игра није била вредна свеће.
Морали су да траже фундаментално нове начине стварања светских водича. Морало се обезбедити да светловоди не буду од метала, већ од неке јефтине, неоскудне сировине. Требале су деценије да се развију оптичка влакна погодна за пренос информација помоћу светлости.
Прво такво влакно је направљено од ултра чистог стакла. Створена је двослојна коаксијална структура језгра и шкољке. Типови стакла су одабрани тако да језгро има већи индекс преламања од облоге.
Скоро потпуна унутрашња рефлексија у оптичком медију
Али како спојити различите наочаре тако да нема недостатака на граници између језгра и шкољке? Како постићи глаткоћу, уједначеност и истовремено максималну снагу влакана?
Залагањем научника и инжењера коначно је створено жељено оптичко влакно. Данас се кроз њега светлосни сигнали преносе на стотине и хиљаде километара. Али који су закони простирања светлосне енергије на неметалним (диелектричним) проводним медијима?
Фибер модови
Једномодна и вишемодна влакна припадају оптичким влакнима кроз која светлост путује, доживљавајући акте поновљене унутрашње рефлексије на интерфејсу омотача језгра (стручњаци подразумевају природне осцилације резонаторског система под "режом").
Модови влакна су сопствени таласи, тј. они који су захваћени језгром влакна и шире се дуж влакна од његовог почетка до краја.
Тип влакна је одређен његовим дизајном: компонентама од којих су направљене језгро и облога, као и односом димензија влакна према коришћеној таласној дужини (последњи параметар је посебно важан).
Код једномодних влакана, пречник језгра мора бити близу природној таласној дужини. Од многих таласа, језгро влакна хвата само један сопствени талас. Због тога се влакно (светловод) назива једномодним.
Ако пречник језгра прелази дужину одређеног таласа, онда је влакно у стању да спроведе неколико десетина или чак стотина различитих таласа одједном. Овако функционише мултимодно влакно.
Пренос информација светлошћу кроз оптичка влакна
Светлост се убризгава у оптичко влакно само из одговарајућег извора. Најчешће - од ласера. Али ништа није савршено по природи. Дакле, ласерски сноп, упркос својој инхерентној монохроматичности, и даље садржи одређени фреквентни спектар, или, другим речима, емитује одређени опсег таласних дужина.
Шта осим ласера може послужити као извор светлости за оптичка влакна? ЛЕД диоде високе осветљености. Међутим, усмереност зрачења у њима је много мања него код ласера.Због тога се упаљеним диодама уводи десетине и стотине пута мање енергије у влакно него ласером.
Када је ласерски зрак усмерен на језгро влакна, сваки талас га удара под строго дефинисаним углом. То значи да различити сопствени таласи (модови) за исти временски интервал пролазе кроз влакна (од његовог почетка до краја) различите дужине. Ово је дисперзија таласа.
А шта се дешава са сигналима? Пролазећи различитом путањом у влакну за исти временски интервал, они могу доћи до краја линије у искривљеном облику.Стручњаци ову појаву називају дисперзијом модуса.
Језгро и омотач влакна су као. већ поменуто, направљени су од стакла са различитим индексима преламања. А индекс преламања било које супстанце зависи од таласне дужине светлости која утиче на супстанцу. Дакле, постоји дисперзија материје, или другим речима, материјална дисперзија.
Таласна дужина, мод, дисперзија материјала су три фактора који негативно утичу на пренос светлосне енергије кроз оптичка влакна.
Не постоји дисперзија модова у једномодним влакнима. Стога, таква влакна могу да пренесу стотине пута више информација по јединици времена од мултимодних влакана. Шта је са дисперзијама таласа и материјала?
Код једномодних влакана покушавају се осигурати да се, под одређеним условима, дисперзије таласа и материјала међусобно поништавају. Након тога, било је могуће створити такво влакно, где је негативан ефекат дисперзије мода и таласа значајно ослабљен. Како сте успели?
Изабрали смо график зависности промене индекса преламања влакнастог материјала са променом његовог растојања од осе (дуж полупречника) према параболичном закону. Светлост путује дуж таквог влакна без доживљаја вишеструких тоталних рефлексија на интерфејсу омотача језгра.
Комуникациони разводни орман. Жути каблови су једномодна влакна, наранџасти и плави каблови су мултимодна влакна
Путања светлости коју хвата оптичко влакно су различите. Неки зраци се шире дуж осе језгра, одступајући од ње у једном или другом правцу на једнаким растојањима ("змија"), други који леже у равнима које прелазе осу влакна формирају скуп спирала. Радијус неких остаје константан, полупречники других се периодично мењају. Таква влакна се називају рефрактивна или градијентна.
Веома је важно знати; под којим граничним углом светлост мора бити усмерена на крај сваког оптичког влакна. Ово одређује колико ће светлости ући у влакно и бити спроведено од почетка до краја оптичке линије. Овај угао је одређен нумеричким отвором влакна (или једноставно — отвором).
Оптичка комуникација
ФОЦЛ
Као оптичке комуникационе линије (ФОЦЛ), оптичка влакна, сама по себи танка и ломљива, не могу се користити. Влакна се користе као сировина за производњу каблова са оптичким влакнима (ФОЦ). ФОЦ се производе у различитим дизајном, облицима и наменама.
У погледу снаге и поузданости, ФОЦ-ови нису инфериорни у односу на своје метало-интензивне прототипове и могу се полагати у истим окружењима као и каблови са металним проводницима — у ваздуху, под земљом, на дну река и мора. ВОК је много лакши.Важно је да су ФОЦ потпуно неосетљиви на електричне сметње и магнетне утицаје. На крају крајева, тешко је носити се са таквим сметњама у металним кабловима.
Оптички каблови прве генерације 1980-их и 1990-их успешно су заменили коаксијалне аутопутеве између аутоматских телефонских централа. Дужина ових линија није прелазила 10-15 км, али сигналисти су одахнули када је постало могуће пренети све потребне информације без средњих регенератора.
У каналима комуникације појавила се велика понуда „животног простора“, а концепт „информационе непропусности“ изгубио је на важности. Лаган, танак и довољно флексибилан, ФОЦ је без потешкоћа положен у постојећи подземни телефон.
Код аутоматске телефонске централе било је потребно додати једноставну опрему која претвара оптичке сигнале у електричне (на улазу са претходне станице) и електричне у оптичке (на излазу до следеће станице). Сва комутаторска опрема, претплатничке линије и њихови телефони нису претрпели промене. Све је испало, како кажу, јефтино и весело.
Инсталација оптичког кабла у граду
Постављање оптичког кабла на носач надземног далековода
Преко савремених оптичких комуникационих линија, информације се не преносе у аналогном (континуираном) облику, већ у дискретном (дигиталном) облику.
Оптичким комуникационим линијама омогућиле су у последњих 30-40 година да се изврше револуционарне трансформације у комуникационим технологијама и релативно брзо у дужем временском периоду да се оконча проблем „непропусности информација“ у каналима за пренос информација.Међу свим средствима комуникације и преноса, информације, оптичке комуникационе линије заузимају водећу позицију и доминираће током читавог КСКСИ века.
Додатно: