Optical na mga sistema ng komunikasyon: layunin, kasaysayan ng paglikha, mga pakinabang
Paano nangyari ang koneksyon sa kuryente?
Ang mga prototype ng mga modernong sistema ng komunikasyon ay lumitaw sa huling siglo at sa pagtatapos ng kanilang mga wire ng telegrapo ay buhol sa buong mundo. Daan-daang libong mga telegrama ang ipinadala sa kanila, at sa lalong madaling panahon ang telegrapo ay tumigil upang makayanan ang pagkarga. Naantala ang mga pagpapadala at wala pa ring malayuang komunikasyon sa telepono at radyo.
Sa simula ng ika-20 siglo, naimbento ang electron tube. Ang teknolohiya ng radyo ay nagsimulang umunlad nang mabilis, ang mga pundasyon ng electronics ay inilatag. Natutunan ng mga signaler na magpadala ng mga radio wave hindi lamang sa pamamagitan ng kalawakan (sa pamamagitan ng hangin), kundi pati na rin upang ipadala ang mga ito sa pamamagitan ng mga wire at sa pamamagitan ng mga cable ng komunikasyon.
Ang paggamit ng mga radio wave ay nagsilbing batayan para sa pag-compact ng pinakamahal at hindi mahusay na bahagi ng mga sistema ng paghahatid ng impormasyon - mga linear na aparato. Sa pamamagitan ng pag-compress ng linya sa dalas, sa oras, gamit ang mga espesyal na paraan ng "packaging" na impormasyon, ngayon ay posible na magpadala ng libu-libong iba't ibang mga mensahe sa isang linya bawat yunit ng oras. Ang ganitong komunikasyon ay tinatawag na multichannel.
Nagsimulang lumabo ang mga hangganan sa pagitan ng iba't ibang uri ng komunikasyon. Sila ay magkakasuwato na umakma sa isa't isa, telegrapo, telepono, radyo, at kalaunan ay telebisyon, relay ng radyo, at kalaunan ay satellite, ang mga komunikasyon sa kalawakan ay pinagsama sa isang karaniwang sistema ng komunikasyong elektrikal.
Mga modernong teknolohiya sa komunikasyon
Ang higpit ng impormasyon ng mga channel ng komunikasyon
Ang mga alon na may haba na 3000 km hanggang 4 mm ay gumagana sa mga channel ng paghahatid ng impormasyon. Ang kagamitan ay gumagana na may kakayahang magpadala ng 400 megabits bawat segundo sa isang channel ng komunikasyon (400 Mbit / s ay 400 milyong bits bawat segundo). Kung kukuha kami ng isang liham sa pagkakasunud-sunod na ito para sa 1 bit, pagkatapos ay 400 Mbit ang bubuo ng isang library ng 500 volume, bawat isa ay may 20 naka-print na mga sheet).
Ang kasalukuyang paraan ng komunikasyong elektrikal ay katulad ng kanilang mga prototype mula noong nakaraang siglo? Halos kapareho ng isang palabas na tumatalon na eroplano. Sa kabila ng lahat ng pagiging perpekto ng kagamitan sa modernong mga channel ng komunikasyon, sayang, ito ay masyadong masikip: mas malapit kaysa sa 90s ng huling siglo.
Telegraph wires sa Cincinnati, USA (unang bahagi ng ika-20 siglo)
Isang babae ang nakikinig sa radyo sa pamamagitan ng mga headphone, Marso 28, 1923.
Mayroong isang kontradiksyon sa pagitan ng lumalaking pangangailangan para sa paghahatid ng impormasyon at ang mga pangunahing katangian ng mga pisikal na proseso na kasalukuyang ginagamit sa mga channel ng komunikasyon. Upang palabnawin ang "densidad ng impormasyon", kinakailangan upang lupigin ang mas maikli at mas maikling mga alon, iyon ay, upang makabisado ang mas mataas at mas mataas na mga frequency. Ang likas na katangian ng mga electromagnetic oscillations ay tulad na kung mas mataas ang kanilang dalas, mas maraming impormasyon sa bawat yunit ng oras ang maaaring maipadala sa channel ng komunikasyon.
Ngunit sa lahat ng mas malalaking paghihirap na kailangang harapin ng mga tagapagbalita: sa pagbaba ng alon, ang panloob (intrinsic) na ingay ng mga tumatanggap na aparato ay tumaas nang husto, ang kapangyarihan ng mga generator ay bumababa, at ang kahusayan ay bumababa nang malaki. mga transmiter, at sa lahat ng kuryenteng natupok, maliit na bahagi lamang ang na-convert sa kapaki-pakinabang na enerhiya ng radio wave.
Ang output transpormer ng tube transmission circuit ng Nauen radio station sa Germany na may hanay na higit sa 20,000 kilometro (Oktubre 1930)
Ang unang UHF radio communications ay itinatag sa pagitan ng Vatican at ng summer residence ni Pope Pius XI, 1933.
Mabilis na nawalan ng enerhiya ang mga ultra short wave (UHF) sa daan. Samakatuwid, ang mga signal ng mensahe ay kailangang palakasin at muling buuin (ibinalik) nang madalas. Kailangan nating gumamit ng kumplikado at mamahaling kagamitan. Ang komunikasyon sa hanay ng sentimetro ng mga radio wave, pabayaan ang hanay ng milimetro, ay nahaharap sa maraming mga hadlang.
Mga disadvantages ng mga channel ng komunikasyon sa kuryente
Halos lahat ng modernong komunikasyong elektrikal ay multi-channel. Upang magpadala sa isang 400 Mbit / s channel, kailangan mong magtrabaho sa hanay ng decimimeter ng mga radio wave. Ito ay posible lamang sa pagkakaroon ng napaka-komplikadong kagamitan at, siyempre, isang espesyal na high-frequency (coaxial) cable, na binubuo ng isa o higit pang mga pares ng coaxial.
Sa bawat pares, ang mga panlabas at panloob na conductor ay mga coaxial cylinder. Ang dalawang ganoong pares ay maaaring sabay na magpadala ng 3,600 tawag sa telepono o ilang mga programa sa TV. Sa kasong ito, gayunpaman, ang mga signal ay dapat na palakasin at muling buuin tuwing 1.5 km.
Isang naka-istilong signalman noong 1920s
Ang mga channel ng komunikasyon ay pinangungunahan ng mga linya ng cable. Ang mga ito ay protektado mula sa mga panlabas na impluwensya, electric at magnetic disturbances. Ang mga cable ay matibay at maaasahan sa operasyon, ang mga ito ay maginhawa para sa pagtula sa iba't ibang mga kapaligiran.
Gayunpaman, ang paggawa ng mga kable at mga wire ng komunikasyon ay tumatagal ng higit sa kalahati ng produksyon ng mundo ng mga non-ferrous na metal, na ang mga reserba ay mabilis na lumiliit.
Ang metal ay nagiging mas mahal. At ang paggawa ng mga cable, lalo na ang mga coaxial, ay isang masalimuot at sobrang enerhiya-intensive na negosyo. At ang pangangailangan para sa kanila ay lumalaki. Samakatuwid, hindi mahirap isipin kung ano ang mga gastos para sa pagtatayo ng mga linya ng komunikasyon at ang kanilang operasyon.
Pag-install ng cable line sa New York, 1888.
Ang network ng komunikasyon ay ang pinakakahanga-hanga at mahal na istraktura na nilikha ng tao sa Earth. Paano ito pauunlarin pa, kung nasa 50s na ng XX century ay naging malinaw na ang telekomunikasyon ay papalapit na sa threshold ng pagiging posible ng ekonomiya nito?
Pagkumpleto ng Transcontinental Telephone Line, Wendover, Utah, 1914.
Upang maalis ang "densidad ng impormasyon sa mga channel ng komunikasyon, kinakailangan upang matutunan kung paano gamitin ang mga optical range ng electromagnetic oscillations. Pagkatapos ng lahat, ang mga light wave ay may milyun-milyong beses na mas maraming vibrations kaysa sa VHF.
Kung nilikha ang isang optical na channel ng komunikasyon, posibleng sabay-sabay na magpadala ng ilang libong mga programa sa telebisyon at marami pang mga tawag sa telepono at mga broadcast sa radyo.
Ang gawain ay tila nakakatakot. Ngunit sa daan patungo sa solusyon nito, isang uri ng labirint ng mga problema ang lumitaw sa harap ng mga siyentipiko at signalmen. XX siglo walang nakakaalam kung paano ito malalampasan.
"Soviet Television and Radio" - eksibisyon sa "Sokolniki" park, Moscow, Agosto 5, 1959.
Mga laser
Noong 1960, nilikha ang isang kamangha-manghang mapagkukunan ng liwanag - isang laser o optical quantum generator (LQG). Ang aparatong ito ay may mga natatanging katangian.
Imposibleng sabihin ang tungkol sa prinsipyo ng pagpapatakbo at ang aparato ng iba't ibang mga laser sa loob ng isang maikling artikulo. Mayroon nang isang detalyadong artikulo sa mga laser sa aming website: Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga laser… Dito nililimitahan natin ang ating mga sarili sa pag-enumerate lamang ng mga katangian ng laser na nakaakit ng atensyon ng mga manggagawa sa komunikasyon.
Ted Mayman, counter-instructor ng unang gumaganang laser, 1960.
Una sa lahat, sabihin natin ang pagkakaugnay ng radiation. Ang ilaw ng laser ay halos monochromatic (isang kulay) at nag-iiba sa espasyo nang mas mababa kaysa sa liwanag ng pinakaperpektong searchlight. Ang enerhiya na puro sa needle beam ng laser ay napakataas. Ito at ilang iba pang mga katangian ng laser ang nag-udyok sa mga manggagawa sa komunikasyon na gamitin ang laser para sa optical na komunikasyon.
Ang mga unang draft ay buod tulad ng sumusunod. Kung gumamit ka ng laser bilang generator at i-modulate ang beam nito gamit ang signal ng mensahe, makakakuha ka ng optical transmitter. Ang pagdidirekta sa sinag sa light receiver, nakakakuha kami ng isang optical na channel ng komunikasyon. Walang wire, walang cable. Ang komunikasyon ay sa pamamagitan ng kalawakan (open laser communication).
Karanasan sa mga laser sa isang science lab
Ang mga eksperimento sa laboratoryo ay napakatalino na nakumpirma ang hypothesis ng mga manggagawa sa komunikasyon. At sa lalong madaling panahon nagkaroon ng pagkakataon na subukan ang relasyon na ito sa pagsasanay.Sa kasamaang palad, ang pag-asa ng mga signalmen para sa bukas na komunikasyon ng laser sa Earth ay hindi natupad: ulan, niyebe, fog ay naging hindi tiyak ang komunikasyon at madalas na ganap na pinutol ito.
Ito ay naging malinaw na ang mga magagaan na alon na nagdadala ng impormasyon ay dapat na protektahan ng kapaligiran. Magagawa ito sa tulong ng mga waveguides - manipis, pare-pareho at napakakinis na metal tubes sa loob.
Ngunit agad na nakilala ng mga inhinyero at ekonomista ang mga paghihirap na kasangkot sa paggawa ng ganap na maayos at maging mga waveguide. Ang mga waveguides ay mas mahal kaysa sa ginto. Tila ang laro ay hindi katumbas ng halaga ng kandila.
Kinailangan nilang maghanap ng panimula ng mga bagong paraan ng paglikha ng mga gabay sa mundo. Kailangang tiyakin na ang mga light guide ay hindi gawa sa metal, ngunit ng ilang mura, hindi kakaunting hilaw na materyal. Tumagal ng ilang dekada upang makabuo ng mga optical fiber na angkop para sa pagpapadala ng impormasyon gamit ang liwanag.
Ang unang naturang hibla ay gawa sa ultra-pure glass. Ang isang dalawang-layer na coaxial core at istraktura ng shell ay nilikha. Ang mga uri ng salamin ay pinili upang ang core ay may mas mataas na refractive index kaysa sa cladding.
Halos kabuuang panloob na pagmuni-muni sa optical medium
Ngunit paano ikonekta ang iba't ibang mga baso upang walang mga depekto sa hangganan sa pagitan ng core at shell? Paano makamit ang kinis, pagkakapareho at sa parehong oras maximum na lakas ng hibla?
Sa pamamagitan ng pagsisikap ng mga siyentipiko at mga inhinyero, sa wakas ay nalikha ang ninanais na optical fiber. Ngayon, ang mga light signal ay ipinapadala sa daan-daan at libu-libong kilometro sa pamamagitan nito. Ngunit ano ang mga batas ng pagpapalaganap ng liwanag na enerhiya sa non-metallic (dielectric) conducting media?
Mga mode ng hibla
Ang single-mode at multimode fibers ay nabibilang sa optical fibers kung saan naglalakbay ang liwanag, na nakakaranas ng mga pagkilos ng paulit-ulit na panloob na pagmuni-muni sa core-cladding interface (ang ibig sabihin ng mga eksperto ay ang natural na mga oscillations ng resonator system sa pamamagitan ng "mode").
Ang mga mode ng hibla ay ang sarili nitong mga alon, i.e. yaong nahuhuli ng ubod ng hibla at kumakalat sa kahabaan ng hibla mula sa simula hanggang sa dulo nito.
Ang uri ng hibla ay tinutukoy ng disenyo nito: ang mga bahagi kung saan ginawa ang core at cladding, pati na rin ang ratio ng mga sukat ng fiber sa wavelength na ginamit (ang huling parameter ay lalong mahalaga).
Sa single-mode fibers, ang core diameter ay dapat na malapit sa natural na wavelength. Sa maraming mga alon, ang core ng hibla ay kumukuha lamang ng isa sa sarili nitong mga alon. Samakatuwid, ang hibla (light guide) ay tinatawag na single-mode.
Kung ang diameter ng core ay lumampas sa haba ng isang tiyak na alon, kung gayon ang hibla ay maaaring magsagawa ng ilang sampu o kahit na daan-daang iba't ibang mga alon nang sabay-sabay. Ito ay kung paano gumagana ang multimode fiber.
Paghahatid ng impormasyon sa pamamagitan ng liwanag sa pamamagitan ng optical fibers
Ang ilaw ay itinuturok sa optical fiber mula lamang sa naaangkop na pinagmulan. Kadalasan - mula sa isang laser. Ngunit walang perpekto sa kalikasan. Samakatuwid, ang laser beam, sa kabila ng likas na monochromaticity nito, ay naglalaman pa rin ng isang tiyak na frequency spectrum, o, sa madaling salita, naglalabas ng isang tiyak na hanay ng mga wavelength.
Ano bukod sa isang laser ang maaaring magsilbi bilang isang ilaw na mapagkukunan para sa mga optical fibers? Mataas na liwanag ng mga LED. Gayunpaman, ang direktiba ng radiation sa kanila ay mas maliit kaysa sa mga laser.Samakatuwid, sampu at daan-daang beses na mas kaunting enerhiya ang ipinapasok sa fiber ng singed diodes kaysa sa laser.
Kapag ang isang laser beam ay nakadirekta sa core ng fiber, ang bawat alon ay humahampas dito sa isang mahigpit na tinukoy na anggulo. Nangangahulugan ito na ang iba't ibang eigenwave (mode) para sa parehong agwat ng oras ay dumadaan sa mga hibla (mula sa simula nito hanggang sa katapusan) na mga landas na may magkakaibang haba. Ito ay wave dispersion.
At ano ang mangyayari sa mga senyales? Ang pagpasa sa ibang landas sa fiber para sa parehong agwat ng oras, maaari nilang maabot ang dulo ng linya sa isang baluktot na anyo. Tinatawag ng mga eksperto ang phenomenon na ito na dispersion.
Ang core at kaluban ng hibla ay katulad. nabanggit na, ang mga ito ay gawa sa salamin na may iba't ibang mga indeks ng repraktibo. At ang refractive index ng anumang substance ay depende sa wavelength ng liwanag na nakakaapekto sa substance. Samakatuwid, mayroong isang pagpapakalat ng bagay, o sa madaling salita, isang materyal na pagpapakalat.
Ang haba ng daluyong, mode, pagpapakalat ng materyal ay tatlong mga kadahilanan na negatibong nakakaapekto sa paghahatid ng liwanag na enerhiya sa pamamagitan ng mga optical fibers.
Walang mode dispersion sa single-mode fibers. Samakatuwid, ang mga naturang fibers ay maaaring magpadala ng daan-daang beses na mas maraming impormasyon sa bawat yunit ng oras kaysa sa mga multimode fibers. Paano naman ang pagpapakalat ng mga alon at materyales?
Sa mga single-mode fibers, ang mga pagtatangka ay ginawa upang matiyak na, sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang wave at material dispersion ay magkakansela sa isa't isa. Kasunod nito, posible na lumikha ng tulad ng isang hibla, kung saan ang negatibong epekto ng mode at pagpapakalat ng alon ay makabuluhang humina. Paano mo ito napamahalaan?
Pinili namin ang graph ng dependence ng pagbabago sa refractive index ng fiber material na may pagbabago sa distansya nito mula sa axis (kasama ang radius) ayon sa parabolic law. Ang liwanag ay naglalakbay kasama ang gayong hibla nang hindi nakakaranas ng maramihang kabuuang pagmuni-muni sa core-cladding interface.
Kabinet ng pamamahagi ng komunikasyon. Ang mga dilaw na cable ay single-mode fibers, ang orange at blue na cable ay multimode fibers
Ang mga landas ng liwanag na nakuha ng optical fiber ay iba. Ang ilang mga sinag ay kumakalat sa kahabaan ng axis ng core, lumihis mula dito sa isang direksyon o iba pa sa pantay na distansya ("ahas"), ang iba ay nakahiga sa mga eroplano na tumatawid sa axis ng hibla ay bumubuo ng isang hanay ng mga spiral. Ang radius ng ilan ay nananatiling pare-pareho, ang radii ng iba ay nagbabago sa pana-panahon. Ang ganitong mga hibla ay tinatawag na repraktibo o gradient.
Napakahalagang malaman; sa anong limitasyong anggulo dapat idirekta ang ilaw sa dulo ng bawat optical fiber. Tinutukoy nito kung gaano karaming liwanag ang papasok sa fiber at isasagawa mula sa simula hanggang sa dulo ng optical line. Ang anggulong ito ay tinutukoy ng numerical aperture ng fiber (o simpleng — ang aperture).
Optical na komunikasyon
FOCL
Bilang mga optical communication lines (FOCL), hindi magagamit ang mga optical fiber, ang kanilang mga sarili ay manipis at marupok. Ang mga hibla ay ginagamit bilang hilaw na materyal para sa paggawa ng mga optical fiber cable (FOC). Ang mga FOC ay ginawa sa iba't ibang disenyo, hugis at layunin.
Sa mga tuntunin ng lakas at pagiging maaasahan, ang mga FOC ay hindi mababa sa kanilang mga metal-intensive na prototype at maaaring ilagay sa parehong mga kapaligiran tulad ng mga cable na may mga metal na conductor — sa himpapawid, sa ilalim ng lupa, sa ilalim ng mga ilog at dagat. Ang WOK ay mas madali.Ang mahalaga, ang mga FOC ay ganap na insensitive sa mga electrical disturbance at magnetic influence. Pagkatapos ng lahat, mahirap harapin ang gayong pagkagambala sa mga metal cable.
Matagumpay na napalitan ng mga optical cable ng unang henerasyon noong 1980s at 1990s ang mga coaxial highway sa pagitan ng mga awtomatikong pagpapalitan ng telepono. Ang haba ng mga linyang ito ay hindi lalampas sa 10-15 km, ngunit ang mga signalmen ay nakahinga ng maluwag kapag naging posible na maihatid ang lahat ng kinakailangang impormasyon nang walang mga intermediate regenerators.
Ang isang malaking supply ng "living space" ay lumitaw sa mga channel ng komunikasyon, at ang konsepto ng "information tightness" ay nawala ang kaugnayan nito. Banayad, manipis at sapat na kakayahang umangkop, ang FOC ay inilatag nang walang kahirapan sa umiiral na underground na telepono.
Gamit ang awtomatikong pagpapalitan ng telepono, kinakailangang magdagdag ng mga simpleng kagamitan na nagko-convert ng mga optical signal sa elektrikal (sa input mula sa nakaraang istasyon) at elektrikal sa optical (sa output sa susunod na istasyon). Ang lahat ng kagamitan sa paglipat, linya ng subscriber at kanilang mga telepono ay hindi sumailalim sa anumang mga pagbabago. Ang lahat ay lumabas, tulad ng sinasabi nila, mura at masaya.
Pag-install ng fiber optic cable sa lungsod
Pag-install ng optical cable sa suporta ng overhead transmission line
Sa pamamagitan ng modernong optical na mga linya ng komunikasyon, ang impormasyon ay ipinadala hindi sa analog (patuloy) na anyo, ngunit sa discrete (digital) na anyo.
Optical na mga linya ng komunikasyon, pinahintulutan nila sa huling 30-40 taon na magsagawa ng mga rebolusyonaryong pagbabago sa mga teknolohiya ng komunikasyon at medyo mabilis para sa isang mahabang panahon upang tapusin ang problema ng "kahigpitan ng impormasyon" sa mga channel ng paghahatid ng impormasyon.Sa lahat ng paraan ng komunikasyon at paghahatid, ang impormasyon, mga linya ng optical na komunikasyon ay sumasakop sa isang nangungunang posisyon at mangingibabaw sa buong XXI siglo.
Bukod pa rito:
Ang prinsipyo ng conversion at paghahatid ng impormasyon sa optical fibers