Optični komunikacijski sistemi: namen, zgodovina nastanka, prednosti
Kako je prišlo do električne povezave?
Prototipi sodobnih komunikacijskih sistemov so se pojavili v prejšnjem stoletju in do konca svojih telegrafskih žic so prepletli ves svet. Na njih je bilo prenesenih na stotine tisoč telegramov in kmalu je telegraf prenehal zdržati obremenitev. Odpreme so zamujale, medkrajevne telefonske in radijske zveze pa še vedno ni bilo.
V začetku 20. stoletja je bila izumljena elektronka. Radijska tehnika se je začela hitro razvijati, postavljeni so bili temelji elektronike. Signalizatorji so se naučili oddajati radijske valove ne le skozi vesolje (po zraku), ampak jih pošiljati tudi po žicah in prek komunikacijskih kablov.
Uporaba radijskih valov je služila kot osnova za stiskanje najdražjega in neučinkovitega dela sistemov za prenos informacij - linearnih naprav. S stiskanjem vrstice v frekvenci, v času, s posebnimi metodami »pakiranja« informacij je danes možno prenašati na desettisoče različnih sporočil na eni liniji v časovni enoti. Takšna komunikacija se imenuje večkanalna.
Meje med različnimi vrstami komunikacije so se začele brisati. Skladno so se dopolnjevale, telegrafske, telefonske, radijske, kasneje televizijske, radiorelejne, kasneje satelitske, vesoljske komunikacije so bile združene v skupni električni komunikacijski sistem.
Sodobne komunikacijske tehnologije
Informacijska tesnost komunikacijskih kanalov
V kanalih za prenos informacij delujejo valovi dolžine od 3000 km do 4 mm. Oprema deluje in lahko prenaša 400 megabitov na sekundo po komunikacijskem kanalu (400 Mbit/s je 400 milijonov bitov na sekundo). Če vzamemo črko v tem vrstnem redu za 1 bit, potem bo 400 Mbit sestavljalo knjižnico 500 zvezkov, vsak z 20 tiskanimi listi).
So sedanja sredstva električne komunikacije podobna svojim prototipom iz prejšnjega stoletja? Skoraj enako kot skakalnica. Kljub vsej popolnosti opreme v sodobnih komunikacijskih kanalih je, žal, prenatrpano: veliko bližje kot v 90. letih prejšnjega stoletja.
Telegrafske žice v Cincinnatiju, ZDA (začetek 20. stoletja)
Ženska posluša radio preko slušalk, 28. marec 1923.
Obstaja protislovje med naraščajočo potrebo po prenosu informacij in osnovnimi lastnostmi fizičnih procesov, ki se trenutno uporabljajo v komunikacijskih kanalih. Za redčenje »informacijske gostote« je treba osvajati vse krajše valove, torej obvladovati vedno višje frekvence. Narava elektromagnetnih nihanj je takšna, da večja kot je njihova frekvenca, več informacij na enoto časa se lahko prenese po komunikacijskem kanalu.
Toda z vsemi večjimi težavami, s katerimi se morajo soočiti komunikatorji: z zmanjšanjem valovanja se notranji (intrinzični) šumi sprejemnih naprav močno povečajo, moč generatorjev se zmanjša in učinkovitost se znatno zmanjša. oddajnikov, od vse porabljene električne energije pa se le majhen del pretvori v koristno energijo radijskih valov.
Izhodni transformator cevnega oddajnega vezja radijske postaje Nauen v Nemčiji z dosegom preko 20.000 kilometrov (oktober 1930)
Prve UHF radijske zveze so bile vzpostavljene med Vatikanom in poletno rezidenco papeža Pija XI., 1933.
Ultra kratki valovi (UHF) na poti katastrofalno hitro izgubijo svojo energijo. Zato je treba sporočilne signale prepogosto ojačevati in regenerirati (obnavljati), posegati po zapleteni in dragi opremi. Komunikacija v centimetrskem območju radijskih valov, kaj šele milimetrskem območju, se sooča s številnimi ovirami.
Slabosti električnih komunikacijskih kanalov
Skoraj vse sodobne električne komunikacije so večkanalne. Za prenos na kanalu 400 Mbit / s morate delati v decimimetrskem območju radijskih valov. To je mogoče le ob prisotnosti zelo zapletene opreme in seveda posebnega visokofrekvenčnega (koaksialnega) kabla, ki je sestavljen iz enega ali več koaksialnih parov.
V vsakem paru sta zunanji in notranji prevodnik koaksialni valj. Dva takšna para lahko hkrati prenašata 3.600 telefonskih klicev ali več televizijskih programov. V tem primeru pa je treba signale ojačati in regenerirati vsakih 1,5 km.
Eleganten signalist v dvajsetih letih prejšnjega stoletja
Med komunikacijskimi kanali prevladujejo kabelski vodi. Zaščiteni so pred zunanjimi vplivi, električnimi in magnetnimi motnjami. Kabli so vzdržljivi in zanesljivi pri delovanju, primerni za polaganje v različnih okoljih.
Vendar pa proizvodnja kablov in komunikacijskih žic zavzema več kot polovico svetovne proizvodnje barvnih kovin, katerih zaloge hitro usihajo.
Kovina postaja vse dražja. In proizvodnja kablov, še posebej koaksialnih, je zapleten in energetsko izjemno potraten posel. In potreba po njih narašča. Zato si ni težko predstavljati, kakšni so stroški gradnje komunikacijskih vodov in njihovega delovanja.
Postavitev kablovoda v New Yorku, 1888.
Komunikacijsko omrežje je najbolj spektakularna in draga struktura, kar jih je človek kdaj ustvaril na Zemlji. Kako jo razvijati naprej, če je že v 50. letih 20. stoletja postalo jasno, da se telekomunikacije bližajo pragu svoje ekonomske izvedljivosti?
Dokončanje transkontinentalne telefonske linije, Wendover, Utah, 1914.
Da bi odpravili "gostoto informacij v komunikacijskih kanalih, se je bilo treba naučiti uporabljati optične razpone elektromagnetnih nihanj. Navsezadnje imajo svetlobni valovi milijonkrat več vibracij kot VHF.
Če bi ustvarili optični komunikacijski kanal, bi bilo mogoče hkrati prenašati več tisoč televizijskih programov in veliko več telefonskih klicev in radijskih oddaj.
Naloga se je zdela zastrašujoča. Toda na poti do njegove rešitve se je pred znanstveniki in signalisti pojavil nekakšen labirint težav. XX stoletja nihče ni vedel, kako ga premagati.
"Sovjetska televizija in radio" — razstava v parku "Sokolniki", Moskva, 5. avgust 1959.
Laserji
Leta 1960 je bil ustvarjen neverjeten vir svetlobe – laserski oziroma optični kvantni generator (LQG). Ta naprava ima edinstvene lastnosti.
V kratkem članku je nemogoče povedati o principu delovanja in napravi različnih laserjev. Na naši spletni strani je že bil podroben članek o laserjih: Naprava in princip delovanja laserjev… Tukaj se omejimo na naštevanje le tistih lastnosti laserja, ki so pritegnile pozornost komunikacijskih delavcev.
Ted Mayman, protiinštruktor prvega delujočega laserja, 1960.
Najprej navedemo koherenco sevanja. Laserska svetloba je skoraj monokromatska (enobarvna) in se razhaja v prostoru večkrat manj kot svetloba najpopolnejšega reflektorja. Energija, koncentrirana v igelnem žarku laserja, je zelo visoka. Prav te in nekatere druge lastnosti laserja so komunikacijske delavce spodbudile k uporabi laserja za optično komunikacijo.
Prvi osnutki so bili povzeti na naslednji način. Če kot generator uporabite laser in njegov žarek modulirate s sporočilnim signalom, dobite optični oddajnik. Z usmerjanjem žarka na sprejemnik svetlobe dobimo optični komunikacijski kanal. Brez žic, brez kablov. Komunikacija bo potekala skozi vesolje (odprta laserska komunikacija).
Izkušnje z laserji v znanstvenem laboratoriju
Laboratorijski poskusi so briljantno potrdili hipotezo komunikacijskih delavcev. In kmalu je bila priložnost preizkusiti to razmerje v praksi.Na žalost se upi signalistov na odprto lasersko komunikacijo na Zemlji niso uresničili: dež, sneg, megla so komunikacijo naredili negotova in jo pogosto popolnoma prekinili.
Postalo je očitno, da morajo biti svetlobni valovi, ki prenašajo informacije, zaščiteni z ozračjem. To je mogoče storiti s pomočjo valovodov - tankih, enotnih in zelo gladkih kovinskih cevi v notranjosti.
Toda inženirji in ekonomisti so takoj prepoznali težave pri izdelavi povsem gladkih in enakomernih valovodov. Valovodi so bili dražji od zlata. Očitno igra ni bila vredna sveče.
Morali so iskati bistveno nove načine za ustvarjanje svetovnih vodnikov. Zagotoviti je bilo treba, da svetlobni vodi niso izdelani iz kovine, ampak iz kakšne cenene, redke surovine. Za razvoj optičnih vlaken, primernih za prenos informacij s pomočjo svetlobe, so bila potrebna desetletja.
Prvo takšno vlakno je izdelano iz ultra čistega stekla. Ustvarjena je bila dvoslojna koaksialna struktura jedra in lupine. Vrste stekla so bile izbrane tako, da ima jedro večji lomni količnik kot obloga.
Skoraj popoln notranji odboj v optičnem mediju
Toda kako povezati različna stekla, da na meji med jedrom in lupino ne bo napak? Kako doseči gladkost, enakomernost in hkrati maksimalno trdnost vlaken?
S prizadevanji znanstvenikov in inženirjev je bilo končno ustvarjeno želeno optično vlakno. Preko njega se danes svetlobni signali prenašajo na stotine in tisoče kilometrov. Toda kakšni so zakoni širjenja svetlobne energije na nekovinskih (dielektričnih) prevodnih medijih?
Načini vlaken
Enomodovna in večmodna vlakna spadajo med optična vlakna, skozi katera potuje svetloba in doživlja dejanja ponavljajočega se notranjega odboja na vmesniku jedra in ovoja (strokovnjaki z "načinom" mislijo na naravna nihanja resonatorskega sistema).
Načini vlakna so lastni valovi, tj. tiste, ki jih zajame jedro vlakna in se širijo vzdolž vlakna od njegovega začetka do konca.
Vrsto vlakna določa njegova zasnova: sestavni deli, iz katerih sta sestavljena jedro in ovoj, ter razmerje med dimenzijami vlakna in uporabljeno valovno dolžino (zadnji parameter je še posebej pomemben).
Pri enomodnih vlaknih mora biti premer jedra blizu naravne valovne dolžine. Od številnih valov jedro vlakna zajame samo enega od svojih valov. Zato se vlakno (svetlobni vodnik) imenuje enomodno.
Če premer jedra presega dolžino določenega vala, je vlakno sposobno prevajati več deset ali celo sto različnih valov hkrati. Tako deluje večmodno vlakno.
Prenos informacij s svetlobo po optičnih vlaknih
Svetloba se v optično vlakno vbrizga le iz ustreznega vira. Najpogosteje - z laserjem. Toda nič ni popolno po naravi. Laserski žarek torej kljub svoji inherentni monokromatičnosti še vedno vsebuje določen frekvenčni spekter ali, z drugimi besedami, oddaja določeno območje valovnih dolžin.
Kaj poleg laserja lahko služi kot vir svetlobe za optična vlakna? LED diode visoke svetlosti. Vendar pa je usmerjenost sevanja v njih veliko manjša kot pri laserjih.Zato v vlakno z opečenimi diodami vnesemo več deset in stokrat manj energije kot z laserjem.
Ko je laserski žarek usmerjen v jedro vlakna, ga vsak val udari pod strogo določenim kotom. To pomeni, da različni lastni valovi (modi) za isti časovni interval prehajajo skozi vlakno (od njegovega začetka do konca) različnih dolžin. To je disperzija valov.
In kaj se zgodi z opozorili? Če prečkajo drugo pot v vlaknu za isti časovni interval, lahko pridejo do konca linije v popačeni obliki.Strokovnjaki ta pojav imenujejo disperzija načina.
Jedro in ovoj vlakna sta kot. že omenjeno, so izdelani iz stekla z različnimi lomnimi količniki. In lomni količnik katere koli snovi je odvisen od valovne dolžine svetlobe, ki vpliva na snov. Zato obstaja disperzija snovi ali z drugimi besedami materialna disperzija.
Valovna dolžina, način, materialna disperzija so trije dejavniki, ki negativno vplivajo na prenos svetlobne energije skozi optična vlakna.
V enomodnih vlaknih ni modalne disperzije. Zato lahko takšna vlakna prenesejo stokrat več informacij na časovno enoto kot večmodna vlakna. Kaj pa disperzije valov in materialov?
V enomodnih vlaknih se poskuša zagotoviti, da se pod določenimi pogoji disperzije valov in materiala medsebojno izničijo. Kasneje je bilo mogoče ustvariti takšno vlakno, kjer je bil negativni učinek disperzije načina in valov bistveno oslabljen. Kako vam je uspelo?
Izbrali smo graf odvisnosti spremembe lomnega količnika materiala vlakna od spremembe njegove oddaljenosti od osi (vzdolž polmera) po paraboličnem zakonu. Svetloba potuje vzdolž takega vlakna, ne da bi pri tem prišlo do večkratnih dejanj popolnega odboja na vmesniku jedra in ovoja.
Komunikacijska razdelilna omara. Rumeni kabli so enomodna vlakna, oranžni in modri kabli pa večmodna vlakna
Poti svetlobe, ki jo ujame optično vlakno, so različne. Nekateri žarki se širijo vzdolž osi jedra in odstopajo od njega v eno ali drugo smer na enakih razdaljah ("kača"), drugi, ki ležijo v ravninah, ki prečkajo os vlakna, tvorijo niz spiral. Polmer nekaterih ostaja konstanten, polmeri drugih se periodično spreminjajo. Takšna vlakna imenujemo lomna ali gradientna.
Zelo pomembno je vedeti; pod kakšnim mejnim kotom mora biti svetloba usmerjena na konec posameznega optičnega vlakna. To določa, koliko svetlobe bo vstopilo v vlakno in se prepeljalo od začetka do konca optične linije. Ta kot je določen z numerično odprtino vlakna (ali preprosto - odprtino).
Optična komunikacija
FOCL
Optičnih vlaken, ki so sama po sebi tanka in krhka, ni mogoče uporabiti kot optične komunikacijske linije (FOCL). Vlakna se uporabljajo kot surovina za proizvodnjo kablov iz optičnih vlaken (FOC). FOC se proizvajajo v različnih dizajnih, oblikah in namenih.
Kar zadeva moč in zanesljivost, FOC niso slabši od svojih kovinsko intenzivnih prototipov in jih je mogoče položiti v enakih okoljih kot kable s kovinskimi vodniki - v zraku, pod zemljo, na dnu rek in morij. WOK je veliko lažji.Pomembno je, da so FOC popolnoma neobčutljivi na električne motnje in magnetne vplive. Navsezadnje je težko obravnavati takšne motnje v kovinskih kablih.
Optični kabli prve generacije so v 80. in 90. letih 20. stoletja uspešno nadomestili koaksialne avtoceste med avtomatskimi telefonskimi centralami. Dolžina teh linij ni presegla 10-15 km, vendar so signalisti oddahnili, ko je postalo mogoče prenašati vse potrebne informacije brez vmesnih regeneratorjev.
V komunikacijskih kanalih se je pojavila velika ponudba "življenjskega prostora", koncept "informacijske tesnosti" pa je izgubil pomen. Lahek, tanek in dovolj prožen FOC je bil brez težav položen v obstoječo podzemno telefonsko postajo.
Z avtomatsko telefonsko centralo je bilo treba dodati preprosto opremo, ki pretvarja optične signale v električne (na vhodu iz prejšnje postaje) in električne v optične (na izhodu v naslednjo postajo). Vsa stikalna oprema, naročniški vodi in njihovi telefoni niso bili spremenjeni. Vse se je izkazalo, kot pravijo, poceni in veselo.
Montaža optičnega kabla v mestu
Montaža optičnega kabla na nosilec nadzemnega daljnovoda
Po sodobnih optičnih komunikacijskih linijah se informacije ne prenašajo v analogni (kontinuirani) obliki, temveč v diskretni (digitalni) obliki.
Optične komunikacijske linije so v zadnjih 30-40 letih omogočile revolucionarne preobrazbe v komunikacijskih tehnologijah in razmeroma hitro za dolgo časa odpravile problem "informacijske tesnosti" v kanalih za prenos informacij.Med vsemi komunikacijskimi in prenosnimi sredstvi, informacijami, optičnimi komunikacijskimi linijami zasedajo vodilni položaj in bodo prevladovale v celotnem XXI stoletju.
Dodatno: