Optické komunikační systémy: účel, historie vzniku, výhody
Jak došlo k elektrickému připojení?
Prototypy moderních komunikačních systémů se objevily v minulém století a ke konci jejich telegrafních drátů zamotaly celý svět. Byly přes ně přenášeny statisíce telegramů a telegraf brzy přestal zvládat zátěž. Expedice nabíraly zpoždění a stále neexistovala dálková telefonní a rádiová komunikace.
Na začátku 20. století byla vynalezena elektronka. Rádiová technika se začala rychle rozvíjet, byly položeny základy elektroniky. Signalisté se naučili vysílat rádiové vlny nejen vesmírem (vzduchem), ale také je posílat po drátech a prostřednictvím komunikačních kabelů.
Využití rádiových vln posloužilo jako základ pro zhutnění nejdražší a neefektivní části systémů přenosu informací – lineárních zařízení. Komprimací linky ve frekvenci, v čase, pomocí speciálních metod „balení“ informací, je dnes možné přenášet desítky tisíc různých zpráv na jedné lince za jednotku času. Taková komunikace se nazývá vícekanálová.
Hranice mezi různými druhy komunikace se začaly stírat. Harmonicky se doplňovaly, telegrafní, telefonní, rozhlasové, později televizní, radioreléové a později satelitní, vesmírné spoje byly sjednoceny do společného elektrického komunikačního systému.
Moderní komunikační technologie
Informační těsnost komunikačních kanálů
V kanálech přenosu informací pracují vlny o délce 3000 km až 4 mm. Zařízení je v provozu schopné přenášet 400 megabitů za sekundu komunikačním kanálem (400 Mbit/s je 400 milionů bitů za sekundu). Pokud vezmeme písmeno v tomto pořadí pro 1 bit, pak 400 Mbit bude tvořit knihovnu 500 svazků, každý s 20 potištěnými listy).
Jsou současné prostředky elektrické komunikace podobné jejich prototypům z minulého století? Téměř stejné jako parkurové letadlo. Přes veškerou dokonalost zařízení v moderních komunikačních kanálech je bohužel příliš přeplněná: mnohem blíž než v 90. letech minulého století.
Telegrafní dráty v Cincinnati, USA (počátek 20. století)
Žena poslouchá rádio přes sluchátka, 28. března 1923.
Existuje rozpor mezi rostoucí potřebou přenosu informací a základními vlastnostmi fyzikálních procesů, které se v současnosti používají v komunikačních kanálech. Aby se „informační hustota“ rozředila, je potřeba dobývat stále kratší vlny, tedy zvládat vyšší a vyšší frekvence. Povaha elektromagnetických oscilací je taková, že čím vyšší je jejich frekvence, tím více informací za jednotku času může být přenášeno komunikačním kanálem.
Ale se všemi většími obtížemi, kterým musí komunikátoři čelit: s poklesem vlny se prudce zvyšují vnitřní (vlastní) zvuky přijímacích zařízení, klesá výkon generátorů a výrazně klesá účinnost. vysílačů a ze veškeré spotřebované elektřiny se jen malá část přemění na užitečnou energii rádiových vln.
Výstupní transformátor trubkového přenosového okruhu rádiové stanice Nauen v Německu s dosahem přes 20 000 kilometrů (říjen 1930)
První rádiové spojení UHF bylo navázáno mezi Vatikánem a letním sídlem papeže Pia XI., 1933.
Ultra krátké vlny (UHF) cestou katastrofálně rychle ztrácejí svou energii. Signály zpráv se proto musí příliš často zesilovat a regenerovat (obnovovat) Musíme se uchýlit ke složitému a drahému vybavení. Komunikace v centimetrovém rozsahu rádiových vln, natož v milimetrovém rozsahu, naráží na četné překážky.
Nevýhody elektrických komunikačních kanálů
Téměř všechny moderní elektrické komunikace jsou vícekanálové. Chcete-li vysílat na kanálu 400 Mbit/s, musíte pracovat v decimimetrovém rozsahu rádiových vln. To je možné pouze za přítomnosti velmi složitého zařízení a samozřejmě speciálního vysokofrekvenčního (koaxiálního) kabelu, který se skládá z jednoho nebo více koaxiálních párů.
V každém páru jsou vnější a vnitřní vodiče koaxiální válce. Dva takové páry mohou současně přenášet 3 600 telefonních hovorů nebo několik televizních programů. V tomto případě však musí být signály zesilovány a regenerovány každých 1,5 km.
Stylový signalista ve 20. letech 20. století
Komunikačním kanálům dominují kabelová vedení. Jsou chráněny před vnějšími vlivy, elektrickým a magnetickým rušením. Kabely jsou odolné a spolehlivé v provozu, jsou vhodné pro pokládku v různých prostředích.
Výroba kabelů a komunikačních vodičů však zabírá více než polovinu světové produkce neželezných kovů, jejichž zásoby se rychle zmenšují.
Kov je stále dražší. A výroba kabelů, zejména koaxiálních, je složitý a energeticky extrémně náročný byznys. A jejich potřeba roste. Není proto těžké si představit, jaké jsou náklady na výstavbu komunikačních linek a jejich provoz.
Instalace kabelového vedení v New Yorku, 1888.
Komunikační síť je nejúžasnější a nejdražší stavba, jakou kdy člověk na Zemi vytvořil. Jak to dále rozvíjet, když se již v 50. letech 20. století ukázalo, že se telekomunikace blíží prahu své ekonomické proveditelnosti?
Dokončení transkontinentální telefonní linky, Wendover, Utah, 1914.
K odstranění „hustoty informací v komunikačních kanálech bylo nutné naučit se používat optické rozsahy elektromagnetických oscilací. Světelné vlny mají totiž milionkrát větší vibrace než VHF.
Pokud by byl vytvořen optický komunikační kanál, bylo by možné současně přenášet několik tisíc televizních programů a mnohem více telefonních hovorů a rozhlasového vysílání.
Úkol se zdál skličující. Jenže na cestě k jeho řešení se před vědci a signalisty vynořil jakýsi labyrint problémů. XX století nikdo nevěděl, jak to překonat.
„Sovětská televize a rozhlas“ — výstava v parku „Sokolniki“, Moskva, 5. srpna 1959.
Lasery
V roce 1960 vznikl úžasný světelný zdroj – laserový nebo optický kvantový generátor (LQG). Toto zařízení má jedinečné vlastnosti.
V krátkém článku nelze říci o principu činnosti a zařízení různých laserů. Na našem webu již byl podrobný článek o laserech: Zařízení a princip činnosti laserů… Zde se omezíme na výčet pouze těch vlastností laseru, které přitáhly pozornost pracovníků komunikace.
Ted Mayman, kontrainstruktor prvního pracovního laseru, 1960.
Nejprve si uveďme koherenci záření. Laserové světlo je téměř monochromatické (jednobarevné) a rozchází se v prostoru krát méně než světlo nejdokonalejšího světlometu. Energie koncentrovaná v jehlovém paprsku laseru je velmi vysoká. Byly to právě tyto a některé další vlastnosti laseru, které přiměly pracovníky komunikací k použití laseru pro optickou komunikaci.
První návrhy byly shrnuty následovně. Pokud použijete laser jako generátor a modulujete jeho paprsek signálem zprávy, získáte optický vysílač. Nasměrováním paprsku do přijímače světla získáme optický komunikační kanál. Žádné dráty, žádné kabely. Komunikace bude probíhat vesmírem (otevřená laserová komunikace).
Zkušenosti s lasery ve vědecké laboratoři
Laboratorní experimenty bravurně potvrdily hypotézu komunikačních pracovníků. A brzy se naskytla příležitost vyzkoušet tento vztah v praxi.Naděje signalistů na otevřenou laserovou komunikaci na Zemi se bohužel nenaplnily: déšť, sníh, mlha znejistily komunikaci a často ji zcela přerušily.
Ukázalo se, že světelné vlny nesoucí informace musí být odstíněny atmosférou. To lze provést pomocí vlnovodů - tenkých, rovnoměrných a velmi hladkých kovových trubek uvnitř.
Ale inženýři a ekonomové okamžitě rozpoznali obtíže spojené s vytvořením absolutně hladkých a rovnoměrných vlnovodů. Vlnovody byly dražší než zlato. Ta hra zřejmě nestála za svíčku.
Museli hledat zásadně nové způsoby vytváření světových průvodců. Bylo třeba zajistit, aby světlovody nebyly kovové, ale z nějaké levné, nedostatkové suroviny. Trvalo desetiletí, než se vyvinula optická vlákna vhodná pro přenos informací pomocí světla.
První takové vlákno je vyrobeno z ultračistého skla. Byla vytvořena dvouvrstvá koaxiální struktura jádra a pláště. Typy skel byly zvoleny tak, aby jádro mělo vyšší index lomu než plášť.
Téměř úplný vnitřní odraz v optickém prostředí
Jak ale propojit různá skla, aby na rozhraní jádra a pláště nebyly žádné vady? Jak dosáhnout hladkosti, rovnoměrnosti a zároveň maximální pevnosti vlákna?
Díky úsilí vědců a inženýrů bylo nakonec vytvořeno požadované optické vlákno. Dnes se přes něj přenášejí světelné signály na stovky a tisíce kilometrů. Jaké jsou ale zákony šíření světelné energie na nekovových (dielektrických) vodivých médiích?
Režimy vláken
Jednovidová a vícevidová vlákna patří k optickým vláknům, kterými prochází světlo a dochází k opakovanému vnitřnímu odrazu na rozhraní jádro-plášť (odborníci označují „módem“ přirozené oscilace systému rezonátoru).
Módy vlákna jsou jeho vlastní vlny, tzn. ty, které jsou zachyceny jádrem vlákna a šíří se podél vlákna od jeho začátku až po jeho konec.
Typ vlákna je určen jeho konstrukcí: komponenty, ze kterých je jádro a plášť vyrobeno, a také poměr rozměrů vlákna k použité vlnové délce (důležitý je zejména poslední parametr).
U jednovidových vláken musí být průměr jádra blízký přirozené vlnové délce. Z mnoha vln jádro vlákna zachycuje pouze jednu vlastní vlnu. Proto se vlákno (světlovod) nazývá jednovidové.
Pokud průměr jádra přesahuje délku určité vlny, je vlákno schopno vést několik desítek nebo dokonce stovek různých vln najednou. Takto funguje multimódové vlákno.
Přenos informací světlem přes optická vlákna
Světlo je vstřikováno do optického vlákna pouze z vhodného zdroje. Nejčastěji — z laseru. Ale nic není od přírody dokonalé. Laserový paprsek tedy i přes svou inherentní monochromatičnost stále obsahuje určité frekvenční spektrum, neboli, jinými slovy, vyzařuje určitý rozsah vlnových délek.
Co kromě laseru může sloužit jako zdroj světla pro optická vlákna? LED s vysokou svítivostí. Směrovost záření v nich je však mnohem menší než u laserů.Spálenými diodami je tedy do vlákna vnášeno desítky a stokrát méně energie než laserem.
Když je laserový paprsek nasměrován na jádro vlákna, každá vlna na něj dopadá pod přesně definovaným úhlem. To znamená, že různé vlastní vlny (módy) za stejný časový interval procházejí vláknem (od jeho začátku do konce) různě dlouhé dráhy. Toto je rozptyl vln.
A co se stane se signály? Když projdou ve vlákně jinou cestou za stejný časový interval, mohou se dostat na konec řady ve zkreslené podobě.Odborně tento jev nazývá vidová disperze.
Jádro a plášť vlákna jsou podobné. již zmíněné, jsou vyrobeny ze skla s různými indexy lomu. A index lomu jakékoli látky závisí na vlnové délce světla, které látku ovlivňuje. Proto dochází k disperzi hmoty, nebo jinými slovy k hmotné disperzi.
Vlnová délka, mód, disperze materiálu jsou tři faktory, které negativně ovlivňují přenos světelné energie optickými vlákny.
V jednovidových vláknech neexistuje žádná vidová disperze. Proto mohou taková vlákna přenášet stokrát více informací za jednotku času než multimodová vlákna. A co disperze vln a materiálů?
U jednovidových vláken se provádí pokusy zajistit, aby se za určitých podmínek vlny a disperze materiálu navzájem rušily. Následně bylo možné vytvořit takové vlákno, kde byl výrazně oslaben negativní vliv vidové a vlnové disperze. Jak jste to zvládli?
Graf závislosti změny indexu lomu vláknitého materiálu se změnou jeho vzdálenosti od osy (po poloměru) jsme zvolili podle parabolického zákona. Světlo se šíří po takovém vláknu, aniž by došlo k vícenásobnému úplnému odrazu na rozhraní jádra a pláště.
Komunikační rozvodná skříň. Žluté kabely jsou jednovidová vlákna, oranžové a modré kabely jsou vícevidová vlákna
Dráhy světla zachyceného optickým vláknem jsou různé. Některé paprsky se šíří podél osy jádra, odchylují se od ní v jednom či druhém směru ve stejných vzdálenostech („had“), jiné ležící v rovinách protínajících osu vlákna tvoří soustavu spirál. Poloměr některých zůstává konstantní, poloměry jiných se periodicky mění. Taková vlákna se nazývají refrakční nebo gradientní.
Je velmi důležité vědět; pod jakým mezním úhlem musí světlo směřovat na konec každého optického vlákna. To určuje, kolik světla vstoupí do vlákna a bude vedeno od začátku do konce optické linky. Tento úhel je určen číselnou aperturou vlákna (nebo jednoduše - aperturou).
Optická komunikace
FOCL
Jako optické komunikační linky (FOCL) nelze použít optická vlákna, sama o sobě tenká a křehká. Vlákna se používají jako surovina pro výrobu optických kabelů (FOC). FOC se vyrábí v různých provedeních, tvarech a účelech.
Pokud jde o pevnost a spolehlivost, FOC nejsou horší než jejich prototypy náročné na kov a lze je pokládat ve stejném prostředí jako kabely s kovovými vodiči – ve vzduchu, pod zemí, na dně řek a moří. WOK je mnohem jednodušší.Důležité je, že FOC jsou zcela necitlivé na elektrické rušení a magnetické vlivy. Koneckonců, je těžké se s takovým rušením vypořádat v kovových kabelech.
Optické kabely první generace v 80. a 90. letech úspěšně nahradily koaxiální dálnice mezi automatickými telefonními ústřednami. Délka těchto linek nepřesáhla 10-15 km, ale signalisté si oddechli, když bylo možné přenášet všechny potřebné informace bez mezilehlých regenerátorů.
V komunikačních kanálech se objevila velká nabídka „životního prostoru“ a koncept „informační těsnosti“ ztratil svůj význam. Lehký, tenký a dostatečně pružný, FOC byl bez problémů položen do stávajícího podzemního telefonu.
S automatickou telefonní ústřednou bylo nutné doplnit jednoduché zařízení, které převádí optické signály na elektrické (na vstupu z předchozí stanice) a elektrické na optické (na výstupu na další stanici). Veškerá spínací zařízení, účastnické linky a jejich telefony nedoznaly žádných změn. Všechno dopadlo, jak se říká, levně a vesele.
Instalace optického kabelu ve městě
Instalace optického kabelu na podpěru venkovního přenosového vedení
Prostřednictvím moderních optických komunikačních linek se informace nepřenášejí v analogové (kontinuální) formě, ale v diskrétní (digitální) formě.
Optické komunikační linky umožnily v posledních 30-40 letech provést revoluční proměny komunikačních technologií a poměrně rychle na dlouhou dobu ukončit problém "informační těsnosti" v kanálech přenosu informací.Mezi všemi komunikačními a přenosovými prostředky zaujímají informace, optické komunikační linky vedoucí pozici a budou dominovat celému XXI století.
Dodatečně: