Sistemes de comunicació òptica: finalitat, història de creació, avantatges
Com va sorgir la connexió elèctrica?
Els prototips dels sistemes de comunicació moderns van aparèixer al segle passat i al final dels seus cables telegràfics havien embolicat el món sencer. Centenars de milers de telegrames es van transmetre sobre ells, i aviat el telègraf va deixar de fer front a la càrrega. Els enviaments es van retardar i encara no hi havia comunicació telefònica i radiofònica de llarga distància.
A principis del segle XX es va inventar el tub electrònic. La tecnologia de ràdio va començar a desenvolupar-se ràpidament, es van establir les bases de l'electrònica. Els senyalistes han après a transmetre ones de ràdio no només a través de l'espai (a través de l'aire), sinó també a enviar-les per cables i cables de comunicació.
L'ús d'ones de ràdio va servir de base per compactar la part més cara i ineficient dels sistemes de transmissió d'informació: els dispositius lineals. Comprimint la línia en freqüència, en el temps, utilitzant mètodes especials d'"empaquetament" d'informació, avui és possible transmetre desenes de milers de missatges diferents en una única línia per unitat de temps. Aquesta comunicació s'anomena multicanal.
Els límits entre els diferents tipus de comunicació es van començar a difuminar. Es complementaven harmònicament, el telègraf, el telèfon, la ràdio, i més tard la televisió, el relé de ràdio i, més tard, les comunicacions espacials per satèl·lit es van unir en un sistema de comunicació elèctrica comú.
Tecnologies modernes de la comunicació
Estanquitat informativa dels canals de comunicació
En els canals de transmissió d'informació funcionen ones amb una longitud de 3000 km a 4 mm. L'equip està en funcionament capaç de transmetre 400 megabits per segon a través d'un canal de comunicació (400 Mbit/s són 400 milions de bits per segon). Si prenem una lletra en aquest ordre per 1 bit, llavors 400 Mbit formaran una biblioteca de 500 volums, cadascun amb 20 fulls impresos).
Els mitjans de comunicació elèctrics actuals són semblants als seus prototips del segle passat? Pràcticament el mateix que un avió de salt d'obstacles. Malgrat tota la perfecció dels equips als canals de comunicació moderns, per desgràcia, hi ha massa gent: molt més a prop que als anys 90 del segle passat.
Cables telegràfics a Cincinnati, EUA (principis del segle XX)
Una dona escolta la ràdio a través dels auriculars, 28 de març de 1923.
Hi ha una contradicció entre la creixent necessitat de transmissió d'informació i les propietats bàsiques dels processos físics que s'utilitzen actualment en els canals de comunicació. Per diluir la "densitat d'informació", cal conquerir ones cada cop més curtes, és a dir, dominar freqüències cada cop més altes. La naturalesa de les oscil·lacions electromagnètiques és tal que com més gran sigui la seva freqüència, més informació es pot transmetre per unitat de temps a través del canal de comunicació.
Però amb totes les dificultats més grans que han d'afrontar els comunicadors: amb una disminució de l'ona, els sorolls interns (intrínsecs) dels dispositius receptors augmenten bruscament, la potència dels generadors disminueix i l'eficiència disminueix significativament. transmissors, i de tota l'electricitat consumida, només una petita part es converteix en energia útil d'ones de ràdio.
El transformador de sortida del circuit de transmissió de tubs de l'estació de ràdio de Nauen a Alemanya amb un abast de més de 20.000 quilòmetres (octubre de 1930)
Les primeres comunicacions de ràdio UHF es van establir entre el Vaticà i la residència d'estiu del papa Pius XI, l'any 1933.
Les ones ultra curtes (UHF) perden la seva energia de manera catastròfica al llarg del camí. Per tant, els senyals dels missatges s'han d'amplificar i regenerar (restaurar) massa sovint, hem de recórrer a equips complexos i cars. La comunicació en el rang centímetre de les ones de ràdio, i molt menys en el rang mil·límetre, s'enfronta a nombrosos obstacles.
Inconvenients dels canals de comunicació elèctrics
Gairebé totes les comunicacions elèctriques modernes són multicanal. Per transmetre en un canal de 400 Mbit/s, cal treballar en el rang decimímetre d'ones de ràdio. Això només és possible en presència d'equips molt complexos i, per descomptat, d'un cable especial d'alta freqüència (coaxial), que consta d'un o més parells coaxials.
En cada parell, els conductors exterior i interior són cilindres coaxials. Dos d'aquests parells poden transmetre simultàniament 3.600 trucades telefòniques o diversos programes de televisió. En aquest cas, però, els senyals s'han d'amplificar i regenerar cada 1,5 km.
Un senyalista amb estil als anys 20
Els canals de comunicació estan dominats per les línies de cable. Estan protegits d'influències externes, pertorbacions elèctriques i magnètiques. Els cables són duradors i fiables en funcionament, són convenients per col·locar-los en diferents entorns.
Tanmateix, la producció de cables i cables de comunicació ocupa més de la meitat de la producció mundial de metalls no fèrrics, les reserves dels quals estan disminuint ràpidament.
El metall és cada cop més car. I la producció de cables, especialment els coaxials, és un negoci complex i molt intensiu en energia. I la necessitat d'ells és creixent. Per tant, no és difícil imaginar quins són els costos de la construcció de línies de comunicació i el seu funcionament.
Instal·lació d'una línia de cable a Nova York, 1888.
La xarxa de comunicació és l'estructura més espectacular i cara que l'home ha creat mai a la Terra. Com desenvolupar-lo encara més, si ja als anys 50 del segle XX es va fer evident que les telecomunicacions s'acostaven al llindar de la seva viabilitat econòmica?
Finalització de la línia telefònica transcontinental, Wendover, Utah, 1914.
Per eliminar "la densitat d'informació en els canals de comunicació, va ser necessari aprendre a utilitzar els rangs òptics de les oscil·lacions electromagnètiques. Després de tot, les ones de llum tenen milions de vegades més vibracions que les VHF.
Si es creés un canal òptic de comunicació, seria possible transmetre simultàniament diversos milers de programes de televisió i moltes més trucades telefòniques i emissions de ràdio.
La tasca semblava descoratjadora. Però en el camí cap a la seva solució, va sorgir una mena de laberint de problemes davant els científics i els senyalistes. Al segle XX ningú va saber com superar-lo.
"Televisió i ràdio soviètiques" - exposició al parc "Sokolniki", Moscou, 5 d'agost de 1959.
Làsers
El 1960 es va crear una font de llum sorprenent: un làser o un generador quàntic òptic (LQG). Aquest dispositiu té propietats úniques.
És impossible explicar el principi de funcionament i el dispositiu de diversos làsers en un article breu. Ja hi havia un article detallat sobre làsers al nostre lloc web: El dispositiu i principi de funcionament dels làsers… Aquí ens limitem a enumerar només aquelles característiques del làser que han cridat l'atenció dels treballadors de la comunicació.
Ted Mayman, contrainstructor del primer làser de treball, 1960.
En primer lloc, indiquem la coherència de la radiació. La llum làser és gairebé monocromàtica (un color) i divergeix en l'espai vegades menys que la llum del reflector més perfecte. L'energia concentrada en el feix d'agulla del làser és molt elevada. Van ser aquestes i algunes altres propietats del làser les que van impulsar els treballadors de les comunicacions a utilitzar el làser per a la comunicació òptica.
Els primers esborranys es van resumir de la següent manera. Si utilitzeu un làser com a generador i moduleu el seu feix amb un senyal de missatge, obteniu un transmissor òptic. Dirigint el feix cap al receptor de llum, obtenim un canal de comunicació òptic. Sense cables, sense cables. La comunicació serà a través de l'espai (comunicació làser oberta).
Experiència amb làsers en un laboratori de ciències
Els experiments de laboratori van confirmar brillantment la hipòtesi dels treballadors de la comunicació. I aviat hi va haver l'oportunitat de provar aquesta relació a la pràctica.Malauradament, les esperances dels senyalistes per a una comunicació làser oberta a la Terra no es van fer realitat: la pluja, la neu, la boira van fer que la comunicació fos incerta i sovint la tallaven completament.
Es va fer evident que les ones de llum que transporten informació havien d'estar blindades per l'atmosfera. Això es pot fer amb l'ajuda de guies d'ona: tubs metàl·lics prims, uniformes i molt llisos a l'interior.
Però els enginyers i economistes van reconèixer immediatament les dificultats que comporta fer guies d'ones absolutament suaus i fins i tot. Les guies d'ones eren més cares que l'or. Pel que sembla, el joc no valia la pena l'espelma.
Van haver de buscar maneres fonamentalment noves de crear guies mundials. S'havia de garantir que les guies de llum no fossin de metall, sinó d'alguna matèria primera barata i no escassa. Van trigar dècades a desenvolupar fibres òptiques adequades per transmetre informació mitjançant la llum.
La primera fibra d'aquest tipus està feta de vidre ultra pur. Es va crear un nucli coaxial de dues capes i una estructura de closca. Els tipus de vidre es van triar de manera que el nucli tingui un índex de refracció més alt que el revestiment.
Reflexió interna gairebé total en el medi òptic
Però, com connectar diferents vidres perquè no hi hagi defectes al límit entre el nucli i la carcassa? Com aconseguir suavitat, uniformitat i alhora la màxima resistència de la fibra?
Gràcies als esforços de científics i enginyers, finalment es va crear la fibra òptica desitjada. Avui dia, els senyals lluminosos es transmeten al llarg de centenars i milers de quilòmetres. Però, quines són les lleis de propagació de l'energia lluminosa en medis conductors no metàl·lics (dielèctrics)?
Modes de fibra
Les fibres monomode i multimode pertanyen a fibres òptiques a través de les quals viatja la llum, experimentant actes de reflexió interna repetida a la interfície nucli-revestiment (els experts entenen les oscil·lacions naturals del sistema ressonador per "mode").
Els modes de la fibra són les seves pròpies ones, és a dir. aquells que són capturats pel nucli de la fibra i s'estenen al llarg de la fibra des del seu inici fins al seu final.
El tipus de fibra ve determinat pel seu disseny: els components dels quals es fa el nucli i el revestiment, així com la relació entre les dimensions de la fibra i la longitud d'ona utilitzada (l'últim paràmetre és especialment important).
En fibres monomode, el diàmetre del nucli ha d'estar proper a la longitud d'ona natural. De les moltes ones, el nucli de la fibra només capta una de les seves pròpies ones. Per tant, la fibra (guia de llum) s'anomena monomode.
Si el diàmetre del nucli supera la longitud d'una ona determinada, aleshores la fibra és capaç de conduir diverses desenes o fins i tot centenars d'ones diferents alhora. Així és com funciona la fibra multimode.
Transmissió d'informació per llum a través de fibres òptiques
La llum s'injecta a la fibra òptica només des d'una font adequada. Molt sovint, des d'un làser. Però res és perfecte per naturalesa. Per tant, el feix làser, malgrat la seva monocromaticitat inherent, encara conté un cert espectre de freqüència, o, en altres paraules, emet un cert rang de longituds d'ona.
Què a més d'un làser pot servir com a font de llum per a les fibres òptiques? LED d'alta brillantor. Tanmateix, la directivitat de la radiació en ells és molt menor que la dels làsers.Per tant, els díodes calcinats introdueixen desenes i centenars de vegades menys energia a la fibra que el làser.
Quan un raig làser es dirigeix al nucli de la fibra, cada ona l'incideix amb un angle estrictament definit. Això vol dir que diferents ones pròpies (modes) durant el mateix interval de temps passen per la fibra (des del seu principi fins al final) camins de diferents longituds. Això és la dispersió de les ones.
I què passa amb els senyals? Passant per un camí diferent a la fibra durant el mateix interval de temps, poden arribar al final de la línia de forma distorsionada. Els experts anomenen aquest fenomen dispersió en mode.
El nucli i la funda de la fibra són semblants. ja esmentats, són de vidre amb diferents índexs de refracció. I l'índex de refracció de qualsevol substància depèn de la longitud d'ona de la llum que afecta la substància. Per tant, hi ha una dispersió de matèria, o en altres paraules, una dispersió material.
La longitud d'ona, el mode i la dispersió del material són tres factors que afecten negativament la transmissió d'energia lluminosa a través de les fibres òptiques.
No hi ha dispersió de mode en fibres monomode. Per tant, aquestes fibres poden transmetre centenars de vegades més informació per unitat de temps que les fibres multimode. Què passa amb les dispersions d'ones i materials?
En fibres monomode, s'intenta garantir que, en determinades condicions, les dispersions d'ona i de material s'anul·lin mútuament. Posteriorment, va ser possible crear aquesta fibra, on l'efecte negatiu del mode i la dispersió de les ones es va afeblir significativament. Com ho vas gestionar?
Hem seleccionat el gràfic de la dependència del canvi en l'índex de refracció del material de fibra amb un canvi en la seva distància a l'eix (al llarg del radi) segons la llei parabòlica. La llum viatja al llarg d'aquesta fibra sense experimentar múltiples actes de reflexió total a la interfície del revestiment del nucli.
Gabinet de distribució de comunicacions. Els cables grocs són fibres monomode, els cables taronja i blaus són fibres multimode
Els camins de la llum captada per la fibra òptica són diferents. Alguns raigs s'estenen al llarg de l'eix del nucli, desviant-se d'aquest en una direcció o altra a distàncies iguals ("serp"), altres situats en els plans que creuen l'eix de la fibra formen un conjunt d'espirals. El radi d'uns roman constant, els radis d'altres canvien periòdicament. Aquestes fibres s'anomenen refractives o gradient.
És molt important saber-ho; a quin angle límit s'ha de dirigir la llum cap a l'extrem de cada fibra òptica. Això determina quanta llum entrarà a la fibra i es conduirà des del principi fins al final de la línia òptica. Aquest angle està determinat per l'obertura numèrica de la fibra (o simplement - l'obertura).
Comunicació òptica
FOCL
Com a línies de comunicació òptica (FOCL), les fibres òptiques, elles mateixes primes i fràgils, no es poden utilitzar. Les fibres s'utilitzen com a matèria primera per a la producció de cables de fibra òptica (FOC). Els FOC es produeixen amb una varietat de dissenys, formes i finalitats.
En termes de resistència i fiabilitat, els FOC no són inferiors als seus prototips intensius en metalls i es poden col·locar en els mateixos entorns que els cables amb conductors metàl·lics: a l'aire, sota terra, al fons dels rius i mars. WOK és molt més fàcil.És important destacar que els FOC són completament insensibles a les pertorbacions elèctriques i les influències magnètiques. Després de tot, és difícil fer front a aquestes interferències en els cables metàl·lics.
Els cables òptics de la primera generació dels anys 80 i 90 van substituir amb èxit les carreteres coaxials entre centrals telefòniques automàtiques. La longitud d'aquestes línies no superava els 10-15 km, però els senyalistes van respirar alleujats quan va ser possible transmetre tota la informació necessària sense regeneradors intermedis.
Una gran oferta d'"espai vital" va aparèixer als canals de comunicació, i el concepte d'"estanquitat de la informació" va perdre la seva rellevància. Lleuger, prim i prou flexible, el FOC es va col·locar sense dificultat en el telèfon subterrani existent.
Amb la central telefònica automàtica, calia afegir un equip senzill que convertís els senyals òptics en elèctrics (a l'entrada de l'estació anterior) i elèctrics en òptics (a la sortida a l'estació següent). Tots els equips de commutació, línies d'abonat i els seus telèfons no han patit cap modificació. Tot va resultar, com diuen, barat i alegre.
Instal·lació de cable de fibra òptica a la ciutat
Instal·lació de cable òptic sobre el suport de la línia de transmissió aèria
A través de les línies de comunicació òptiques modernes, la informació no es transmet en forma analògica (continua), sinó en forma discreta (digital).
Línies de comunicació òptica, van permetre en els darrers 30-40 anys dur a terme transformacions revolucionàries en les tecnologies de la comunicació i amb relativa rapidesa durant un llarg període de temps posar fi al problema de la "estanquitat de la informació" en els canals de transmissió de la informació.Entre tots els mitjans de comunicació i transmissió, la informació, les línies òptiques de comunicació ocupen una posició de lideratge i dominaran al llarg del segle XXI.
Addicionalment:
El principi de conversió i transmissió d'informació sobre fibres òptiques