Sistem komunikasi optik: tujuan, sejarah penciptaan, kelebihan
Bagaimanakah sambungan elektrik terhasil?
Prototaip sistem komunikasi moden muncul pada abad yang lalu dan pada penghujung wayar telegraf mereka telah menjerat seluruh dunia. Beratus-ratus ribu telegram telah dihantar ke atas mereka, dan tidak lama kemudian telegraf itu berhenti menampung beban. Penghantaran telah ditangguhkan dan masih tiada komunikasi telefon dan radio jarak jauh.
Pada awal abad ke-20, tiub elektron telah dicipta. Teknologi radio mula berkembang pesat, asas elektronik diletakkan. Pemberi isyarat telah belajar untuk menghantar gelombang radio bukan sahaja melalui ruang (melalui udara), tetapi juga untuk menghantarnya melalui wayar dan melalui kabel komunikasi.
Penggunaan gelombang radio berfungsi sebagai asas untuk memampatkan bahagian paling mahal dan tidak cekap sistem penghantaran maklumat - peranti linear. Dengan memampatkan talian dalam kekerapan, dalam masa, menggunakan kaedah khas maklumat "pembungkusan", hari ini adalah mungkin untuk menghantar puluhan ribu mesej yang berbeza pada satu baris setiap unit masa. Komunikasi sedemikian dipanggil berbilang saluran.
Sempadan antara jenis komunikasi yang berbeza mula kabur. Mereka saling melengkapi secara harmoni, telegraf, telefon, radio, dan kemudiannya televisyen, geganti radio, dan kemudian satelit, komunikasi angkasa lepas disatukan dalam sistem komunikasi elektrik yang sama.
Teknologi komunikasi moden
Keketatan maklumat saluran komunikasi
Gelombang dengan panjang 3000 km hingga 4 mm berfungsi dalam saluran penghantaran maklumat. Peralatan sedang beroperasi mampu menghantar 400 megabit sesaat melalui saluran komunikasi (400 Mbit / s ialah 400 juta bit sesaat). Jika kita mengambil surat dalam susunan ini untuk 1 bit, maka 400 Mbit akan membentuk perpustakaan sebanyak 500 jilid, setiap satu dengan 20 helaian bercetak).
Adakah cara komunikasi elektrik semasa serupa dengan prototaip mereka dari abad yang lalu? Hampir sama dengan kapal terbang pertunjukan melompat. Walaupun semua kesempurnaan peralatan dalam saluran komunikasi moden, malangnya, ia terlalu sesak: lebih dekat daripada pada 90-an abad yang lalu.
Wayar telegraf di Cincinnati, Amerika Syarikat (awal abad ke-20)
Seorang wanita mendengar radio melalui fon kepala, 28 Mac 1923.
Terdapat percanggahan antara keperluan yang semakin meningkat untuk penghantaran maklumat dan sifat asas proses fizikal yang sedang digunakan dalam saluran komunikasi. Untuk mencairkan "ketumpatan maklumat", adalah perlu untuk menakluk gelombang yang lebih pendek dan lebih pendek, iaitu, untuk menguasai frekuensi yang lebih tinggi dan lebih tinggi. Sifat ayunan elektromagnet adalah sedemikian rupa sehingga lebih tinggi frekuensinya, lebih banyak maklumat per unit masa boleh dihantar melalui saluran komunikasi.
Tetapi dengan semua kesukaran yang lebih besar yang perlu dihadapi oleh komunikator: dengan penurunan gelombang, bunyi dalaman (intrinsik) peranti penerima meningkat dengan mendadak, kuasa penjana berkurangan, dan kecekapan berkurangan dengan ketara. pemancar, dan daripada semua elektrik yang digunakan, hanya sebahagian kecil ditukarkan kepada tenaga gelombang radio yang berguna.
Pengubah keluaran litar penghantaran tiub stesen radio Nauen di Jerman dengan jarak lebih 20,000 kilometer (Oktober 1930)
Komunikasi radio UHF pertama telah ditubuhkan antara Vatican dan kediaman musim panas Pope Pius XI, 1933.
Gelombang ultra pendek (UHF) kehilangan tenaganya dengan cepat di sepanjang perjalanan. Oleh itu, isyarat mesej perlu dikuatkan dan dijana semula (dipulihkan) terlalu kerap.Kita perlu menggunakan peralatan yang kompleks dan mahal. Komunikasi dalam julat sentimeter gelombang radio, apatah lagi julat milimeter, menghadapi pelbagai halangan.
Kelemahan saluran komunikasi elektrik
Hampir semua komunikasi elektrik moden adalah berbilang saluran. Untuk menghantar pada saluran 400 Mbit / s, anda perlu bekerja dalam julat desimimeter gelombang radio. Ini hanya mungkin dengan kehadiran peralatan yang sangat kompleks dan, sudah tentu, kabel frekuensi tinggi (koaksial) khas, yang terdiri daripada satu atau lebih pasangan sepaksi.
Dalam setiap pasangan, konduktor luar dan dalam adalah silinder sepaksi. Dua pasangan sedemikian boleh menghantar 3,600 panggilan telefon atau beberapa program TV secara serentak. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, isyarat mesti dikuatkan dan dijana semula setiap 1.5 km.
Seorang juru isyarat yang bergaya pada tahun 1920-an
Saluran komunikasi dikuasai oleh talian kabel. Mereka dilindungi daripada pengaruh luar, gangguan elektrik dan magnet. Kabel tahan lama dan boleh dipercayai dalam operasi, ia mudah untuk diletakkan dalam persekitaran yang berbeza.
Walau bagaimanapun, pengeluaran kabel dan wayar komunikasi memerlukan lebih separuh daripada pengeluaran logam bukan ferus dunia, yang rizabnya semakin berkurangan dengan cepat.
Logam menjadi lebih mahal. Dan pengeluaran kabel, terutamanya yang sepaksi, adalah perniagaan yang kompleks dan sangat intensif tenaga. Dan keperluan untuk mereka semakin meningkat. Oleh itu, tidak sukar untuk membayangkan berapa kos untuk pembinaan talian komunikasi dan operasinya.
Pemasangan talian kabel di New York, 1888.
Rangkaian komunikasi adalah struktur yang paling hebat dan mahal yang pernah dicipta oleh manusia di Bumi. Bagaimana untuk mengembangkannya lagi, jika sudah pada 50-an abad XX ia menjadi jelas bahawa telekomunikasi menghampiri ambang kemungkinan ekonominya?
Penyiapan Talian Telefon Transcontinental, Wendover, Utah, 1914.
Untuk menghapuskan "ketumpatan maklumat dalam saluran komunikasi, adalah perlu untuk mempelajari cara menggunakan julat optik ayunan elektromagnet. Lagipun, gelombang cahaya mempunyai berjuta-juta kali lebih banyak getaran daripada VHF.
Jika saluran komunikasi optik diwujudkan, adalah mungkin untuk menghantar beberapa ribu program televisyen dan lebih banyak lagi panggilan telefon dan siaran radio secara serentak.
Tugas itu kelihatan menakutkan. Tetapi dalam perjalanan ke penyelesaiannya, semacam labirin masalah timbul di hadapan para saintis dan juru isyarat. XX abad tiada siapa yang tahu bagaimana untuk mengatasinya.
"Televisyen dan Radio Soviet" - pameran di taman "Sokolniki", Moscow, 5 Ogos 1959.
Laser
Pada tahun 1960, sumber cahaya yang menakjubkan telah dicipta - laser atau penjana kuantum optik (LQG). Peranti ini mempunyai ciri unik.
Tidak mustahil untuk memberitahu tentang prinsip operasi dan peranti pelbagai laser dalam artikel pendek. Sudah ada artikel terperinci mengenai laser di laman web kami: Peranti dan prinsip operasi laser… Di sini kami mengehadkan diri kami untuk menyenaraikan hanya ciri-ciri laser yang telah menarik perhatian pekerja komunikasi.
Ted Mayman, pengajar balas laser kerja pertama, 1960.
Pertama sekali, mari kita nyatakan koheren sinaran. Cahaya laser hampir monokromatik (satu warna) dan menyimpang dalam masa yang lebih kecil daripada cahaya lampu carian yang paling sempurna. Tenaga yang tertumpu pada pancaran jarum laser adalah sangat tinggi. Ini dan beberapa sifat laser yang lain yang mendorong pekerja komunikasi menggunakan laser untuk komunikasi optik.
Draf pertama telah diringkaskan seperti berikut. Jika anda menggunakan laser sebagai penjana dan memodulasi pancarannya dengan isyarat mesej, anda mendapat pemancar optik. Menghalakan pancaran ke penerima cahaya, kami mendapat saluran komunikasi optik. Tiada wayar, tiada kabel. Komunikasi akan melalui ruang (komunikasi laser terbuka).
Pengalaman dengan laser di makmal sains
Eksperimen makmal dengan cemerlang mengesahkan hipotesis pekerja komunikasi. Dan tidak lama lagi terdapat peluang untuk menguji hubungan ini dalam amalan.Malangnya, harapan juru isyarat untuk komunikasi laser terbuka di Bumi tidak menjadi kenyataan: hujan, salji, kabus menyebabkan komunikasi tidak menentu dan sering terputus sepenuhnya.
Ia menjadi jelas bahawa gelombang cahaya yang membawa maklumat mesti dilindungi oleh atmosfera. Ini boleh dilakukan dengan bantuan pandu gelombang - tiub logam nipis, seragam dan sangat licin di dalamnya.
Tetapi jurutera dan ahli ekonomi segera menyedari kesukaran yang terlibat dalam membuat pandu gelombang yang benar-benar lancar dan sekata. Waveguides lebih mahal daripada emas. Nampaknya permainan itu tidak bernilai.
Mereka terpaksa mencari cara asas baharu untuk mencipta panduan dunia. Ia perlu dipastikan bahawa panduan cahaya tidak diperbuat daripada logam, tetapi daripada beberapa bahan mentah yang murah dan tidak terhad. Ia mengambil masa beberapa dekad untuk membangunkan gentian optik yang sesuai untuk menghantar maklumat menggunakan cahaya.
Gentian pertama sedemikian diperbuat daripada kaca ultra-tulen. Teras sepaksi dua lapisan dan struktur cangkerang telah dicipta. Jenis kaca dipilih supaya teras mempunyai indeks biasan yang lebih tinggi daripada pelapisan.
Hampir keseluruhan pantulan dalaman dalam medium optik
Tetapi bagaimana untuk menyambungkan cermin mata yang berbeza supaya tidak ada kecacatan pada sempadan antara teras dan cangkang? Bagaimana untuk mencapai kelancaran, keseragaman dan pada masa yang sama kekuatan gentian maksimum?
Melalui usaha saintis dan jurutera, gentian optik yang dikehendaki akhirnya tercipta. Hari ini, isyarat cahaya dihantar lebih daripada ratusan dan ribuan kilometer melaluinya. Tetapi apakah hukum perambatan tenaga cahaya pada media pengalir bukan logam (dielektrik)?
Mod gentian
Gentian mod tunggal dan berbilang mod tergolong dalam gentian optik yang melaluinya cahaya bergerak, mengalami tindakan pantulan dalaman berulang pada antara muka pelapisan teras (pakar bermaksud ayunan semula jadi sistem resonator mengikut "mod").
Mod gentian adalah gelombangnya sendiri, i.e. mereka yang ditangkap oleh teras gentian dan tersebar di sepanjang gentian dari awal hingga akhir.
Jenis gentian ditentukan oleh reka bentuknya: komponen dari mana teras dan pelapisan dibuat, serta nisbah dimensi gentian kepada panjang gelombang yang digunakan (parameter terakhir amat penting).
Dalam gentian mod tunggal, diameter teras mestilah hampir dengan panjang gelombang semula jadi. Daripada banyak gelombang, teras gentian menangkap hanya satu daripada gelombangnya sendiri. Oleh itu, gentian (panduan cahaya) dipanggil mod tunggal.
Jika diameter teras melebihi panjang gelombang tertentu, maka gentian itu mampu menghantar beberapa puluh atau bahkan ratusan gelombang yang berbeza sekaligus. Beginilah cara gentian multimod berfungsi.
Penghantaran maklumat melalui cahaya melalui gentian optik
Cahaya disuntik ke dalam gentian optik hanya dari sumber yang sesuai. Selalunya - dari laser. Tetapi tidak ada yang sempurna secara semula jadi. Oleh itu, pancaran laser, walaupun monokromatik yang wujud, masih mengandungi spektrum frekuensi tertentu, atau, dengan kata lain, memancarkan julat panjang gelombang tertentu.
Apakah selain laser yang boleh berfungsi sebagai sumber cahaya untuk gentian optik? LED kecerahan tinggi. Walau bagaimanapun, kejuruteraan sinaran di dalamnya jauh lebih kecil daripada laser.Oleh itu, berpuluh-puluh dan beratus kali lebih sedikit tenaga yang dimasukkan ke dalam gentian oleh diod hangus daripada oleh laser.
Apabila pancaran laser diarahkan pada teras gentian, setiap gelombang menyerangnya pada sudut yang ditentukan dengan ketat. Ini bermakna gelombang eigen (mod) yang berbeza untuk selang masa yang sama melalui laluan gentian (dari awal hingga akhir) dengan panjang yang berbeza. Ini adalah penyebaran gelombang.
Dan apa yang berlaku kepada isyarat? Melepasi laluan berbeza dalam gentian untuk selang masa yang sama, mereka boleh sampai ke penghujung garisan dalam bentuk herot. Pakar memanggil penyerakan mod fenomena ini.
Teras dan sarung gentian adalah seperti. telah disebutkan, ia diperbuat daripada kaca dengan indeks biasan yang berbeza. Dan indeks biasan mana-mana bahan bergantung pada panjang gelombang cahaya yang mempengaruhi bahan tersebut. Oleh itu, terdapat penyebaran bahan, atau dengan kata lain, penyebaran material.
Panjang gelombang, mod, penyebaran bahan adalah tiga faktor yang memberi kesan negatif kepada penghantaran tenaga cahaya melalui gentian optik.
Tiada penyebaran mod dalam gentian mod tunggal. Oleh itu, gentian tersebut boleh menghantar ratusan kali lebih banyak maklumat setiap unit masa daripada gentian multimod. Bagaimana pula dengan penyebaran gelombang dan bahan?
Dalam gentian mod tunggal, percubaan dibuat untuk memastikan bahawa, dalam keadaan tertentu, penyebaran gelombang dan bahan membatalkan satu sama lain. Selepas itu, adalah mungkin untuk mencipta gentian sedemikian, di mana kesan negatif mod dan penyebaran gelombang telah dilemahkan dengan ketara. Bagaimana anda menguruskannya?
Kami memilih graf pergantungan perubahan dalam indeks biasan bahan gentian dengan perubahan jaraknya dari paksi (di sepanjang jejari) mengikut undang-undang parabola. Cahaya bergerak sepanjang gentian sedemikian tanpa mengalami beberapa tindakan pantulan total pada antara muka pelapisan teras.
Kabinet pengedaran komunikasi. Kabel kuning ialah gentian mod tunggal, kabel oren dan biru ialah gentian berbilang mod
Laluan cahaya yang ditangkap oleh gentian optik adalah berbeza. Sesetengah sinar tersebar di sepanjang paksi teras, menyimpang daripadanya dalam satu arah atau yang lain pada jarak yang sama ("ular"), yang lain terletak di dalam satah melintasi paksi gentian membentuk satu set lingkaran. Jejari sesetengahnya kekal malar, jejari yang lain berubah secara berkala. Gentian sedemikian dipanggil biasan atau kecerunan.
Ia sangat penting untuk mengetahui; pada sudut yang mengehadkan cahaya mesti diarahkan ke hujung setiap gentian optik. Ini menentukan berapa banyak cahaya akan memasuki gentian dan dijalankan dari awal hingga akhir garis optik. Sudut ini ditentukan oleh apertur berangka gentian (atau ringkasnya — apertur).
Komunikasi optik
FOCL
Sebagai talian komunikasi optik (FOCL), gentian optik, sendiri nipis dan rapuh, tidak boleh digunakan. Gentian digunakan sebagai bahan mentah untuk penghasilan kabel gentian optik (FOC). FOC dihasilkan dalam pelbagai reka bentuk, bentuk dan tujuan.
Dari segi kekuatan dan kebolehpercayaan, FOC tidak kalah dengan prototaip intensif logam mereka dan boleh diletakkan dalam persekitaran yang sama seperti kabel dengan konduktor logam — di udara, bawah tanah, di dasar sungai dan laut. WOK lebih mudah.Yang penting, FOC tidak sensitif sepenuhnya terhadap gangguan elektrik dan pengaruh magnet. Lagipun, sukar untuk menangani gangguan sedemikian dalam kabel logam.
Kabel optik generasi pertama pada 1980-an dan 1990-an berjaya menggantikan lebuh raya sepaksi antara pertukaran telefon automatik. Panjang garisan ini tidak melebihi 10-15 km, tetapi juru isyarat menarik nafas lega apabila mungkin untuk menghantar semua maklumat yang diperlukan tanpa penjana semula perantaraan.
Bekalan besar "ruang tamu" muncul dalam saluran komunikasi, dan konsep "ketaatan maklumat" kehilangan kaitannya. Ringan, nipis dan cukup fleksibel, FOC diletakkan tanpa kesukaran dalam telefon bawah tanah sedia ada.
Dengan pertukaran telefon automatik, adalah perlu untuk menambah peralatan mudah yang menukar isyarat optik kepada elektrik (pada input dari stesen sebelumnya) dan elektrik kepada optik (pada output ke stesen seterusnya). Semua peralatan pensuisan, talian pelanggan dan telefon mereka tidak mengalami sebarang perubahan. Semuanya ternyata, seperti yang mereka katakan, murah dan ceria.
Pemasangan kabel gentian optik di bandar
Pemasangan kabel optik pada sokongan talian penghantaran atas
Melalui talian komunikasi optik moden, maklumat dihantar bukan dalam bentuk analog (berterusan), tetapi dalam bentuk diskret (digital).
Talian komunikasi optik, mereka membenarkan dalam 30-40 tahun yang lalu untuk menjalankan transformasi revolusioner dalam teknologi komunikasi dan agak cepat untuk jangka masa yang panjang untuk menamatkan masalah "ketaatan maklumat" dalam saluran penghantaran maklumat.Di antara semua cara komunikasi dan penghantaran, maklumat, talian komunikasi optik menduduki kedudukan utama dan akan menguasai sepanjang abad XXI.
Selain itu:
Prinsip penukaran dan penghantaran maklumat pada gentian optik