Optilised sidesüsteemid: eesmärk, loomise ajalugu, eelised
Kuidas elektriühendus tekkis?
Kaasaegsete sidesüsteemide prototüübid ilmusid eelmisel sajandil ja nende telegraafijuhtmete lõpuks olid mässinud kogu maailma. Üle nende edastati sadu tuhandeid telegramme ja peagi lakkas telegraaf koormusega toime tulema. Väljasaatmised viibisid ning endiselt puudus kaugtelefoni- ja raadioside.
20. sajandi alguses leiutati elektrontoru. Raadiotehnoloogia hakkas kiiresti arenema, pandi alus elektroonikale. Signaalid on õppinud edastama raadiolaineid mitte ainult läbi kosmose (läbi õhu), vaid ka saatma neid juhtmete ja sidekaablite kaudu.
Raadiolainete kasutamine oli teabeedastussüsteemide kõige kallima ja ebaefektiivsema osa - lineaarsete seadmete - tihendamise aluseks. Liin sageduses, ajas kokku surudes, kasutades spetsiaalseid info "pakendamise" meetodeid, on tänapäeval võimalik ühel real ajaühikus edastada kümneid tuhandeid erinevaid sõnumeid. Sellist suhtlust nimetatakse mitmekanaliliseks.
Piirid erinevate suhtlusviiside vahel hakkasid hägustuma. Need täiendasid üksteist harmooniliselt, telegraafi-, telefoni-, raadio- ja hiljem televisiooni-, raadiorelee- ja hiljem satelliit-, kosmoseside ühendati ühiseks elektrisidesüsteemiks.
Kaasaegsed sidetehnoloogiad
Suhtluskanalite infotihedus
Infoedastuskanalites töötavad lained pikkusega 3000 km kuni 4 mm. Töötavad seadmed on võimelised edastama sidekanali kaudu 400 megabitti sekundis (400 Mbit / s on 400 miljonit bitti sekundis). Kui võtame kirja selles järjekorras 1 biti, siis 400 Mbit moodustab 500 köitest koosneva raamatukogu, millest igaühel on 20 prinditud lehte).
Kas praegused elektrisidevahendid on sarnased nende eelmise sajandi prototüüpidega? Üsna sama, mis takistussõidulennuk. Vaatamata tänapäevaste sidekanalite seadmete täiuslikkusele, on see kahjuks liiga rahvarohke: palju lähemal kui eelmise sajandi 90ndatel.
Telegraafi juhtmed Cincinnatis, USA (20. sajandi algus)
Naine kuulab kõrvaklappidest raadiot, 28.03.1923.
Kasvava infoedastusvajaduse ja praegu sidekanalites kasutatavate füüsikaliste protsesside põhiomaduste vahel valitseb vastuolu. "Infotiheduse" lahjendamiseks on vaja vallutada järjest lühemaid laineid ehk valdada järjest kõrgemaid sagedusi. Elektromagnetiliste võnkumiste olemus on selline, et mida kõrgem on nende sagedus, seda rohkem infot saab ajaühiku kohta sidekanali kaudu edastada.
Kuid kõigi suuremate raskustega, millega suhtlejad silmitsi seisavad: laine vähenemisega suurenevad järsult vastuvõtvate seadmete sisemised (sisemised) mürad, generaatorite võimsus väheneb ja efektiivsus väheneb oluliselt. saatjad ja kogu tarbitavast elektrist muundatakse kasulikuks raadiolainete energiaks vaid väike osa.
Saksamaal Naueni raadiojaama toru ülekandeahela väljundtrafo tööraadiusega üle 20 000 kilomeetri (oktoober 1930)
Esimene UHF-raadioside loodi Vatikani ja paavst Pius XI suveresidentsi vahel 1933. aastal.
Ultralühikesed lained (UHF) kaotavad oma energia katastroofiliselt kiiresti. Seetõttu tuleb sõnumisignaale liiga sageli võimendada ja taastada (taastada), kasutada keerulisi ja kalleid seadmeid. Raadiolainete sentimeetrivahemikus, rääkimata millimeetrialast, on suhtlemisel palju takistusi.
Elektriliste sidekanalite puudused
Peaaegu kõik kaasaegsed elektrikommunikatsioonid on mitme kanaliga. 400 Mbit / s kanalil edastamiseks peate töötama raadiolainete detsimimeetri vahemikus. See on võimalik ainult väga keerukate seadmete ja loomulikult spetsiaalse kõrgsagedusliku (koaksiaal)kaabli olemasolul, mis koosneb ühest või mitmest koaksiaalpaarist.
Igas paaris on välimine ja sisemine juht koaksiaalsilindrid. Kaks sellist paari saavad korraga edastada 3600 telefonikõnet või mitut telesaadet. Sellisel juhul tuleb aga iga 1,5 km järel signaale võimendada ja regenereerida.
Stiilne signaalija 1920. aastatel
Sidekanalites domineerivad kaabelliinid. Need on kaitstud välismõjude, elektriliste ja magnetiliste häirete eest. Kaablid on vastupidavad ja töökindlad, neid on mugav paigaldada erinevatesse keskkondadesse.
Kaablite ja sidejuhtmete tootmine võtab aga üle poole maailma värviliste metallide toodangust, mille varud kahanevad kiiresti.
Metall läheb kallimaks. Ja kaablite, eriti koaksiaalkaablite tootmine on keeruline ja äärmiselt energiamahukas äri. Ja vajadus nende järele kasvab. Seetõttu pole raske ette kujutada, millised on kulud sideliinide ehitamiseks ja nende ekspluateerimiseks.
Kaabelliini paigaldamine New Yorgis, 1888.
Sidevõrk on kõige suurejoonelisem ja kallim struktuur, mille inimene on Maal loonud. Kuidas seda edasi arendada, kui juba XX sajandi 50ndatel sai selgeks, et telekommunikatsioon läheneb oma majandusliku otstarbekuse lävele?
Transkontinentaalse telefoniliini valmimine, Wendover, Utah, 1914.
Sidekanalite teabetiheduse kõrvaldamiseks oli vaja õppida kasutama elektromagnetiliste võnkumiste optilisi vahemikke. Lõppude lõpuks on valguslainetel miljoneid kordi rohkem vibratsiooni kui VHF-l.
Kui luua optiline sidekanal, oleks võimalik üheaegselt edastada mitu tuhat telesaadet ning palju rohkem telefonikõnesid ja raadiosaateid.
Ülesanne tundus hirmutav. Kuid teel selle lahenduseni tekkis teadlaste ja signaalijate ees omamoodi probleemide labürint. XX sajandit ei teadnud keegi, kuidas sellest üle saada.
"Nõukogude televisioon ja raadio" — näitus "Sokolniki" pargis, Moskva, 5. august 1959.
Laserid
1960. aastal loodi hämmastav valgusallikas – laser ehk optiline kvantgeneraator (LQG). Sellel seadmel on ainulaadsed omadused.
Lühikese artikliga on võimatu rääkida erinevate laserite tööpõhimõttest ja seadmest. Meie veebisaidil oli juba üksikasjalik artikkel laserite kohta: Laserite seade ja tööpõhimõte… Siin piirdume ainult nende laseri omaduste loetlemisega, mis on sidetöötajate tähelepanu äratanud.
Ted Mayman, esimese töötava laseri vastuinstruktor, 1960.
Kõigepealt märgime välja kiirguse koherentsuse. Laservalgus on peaaegu monokromaatiline (ühevärviline) ja lahkneb ruumiliselt kordades vähem kui kõige täiuslikuma prožektori valgus. Laseri nõelakiiresse koondunud energia on väga kõrge. Just need ja mõned teised laseri omadused ajendasid sidetöötajaid laserit optilise side jaoks kasutama.
Esimesed mustandid võeti kokku järgmiselt. Kui kasutate generaatorina laserit ja moduleerite selle kiirt sõnumisignaaliga, saate optilise saatja. Suunates kiire valgusvastuvõtjasse, saame optilise sidekanali. Ei juhtmeid ega kaableid. Suhtlemine toimub läbi ruumi (avatud lasersuhtlus).
Kogemused laseritega teaduslaboris
Laboratoorsed katsed kinnitasid hiilgavalt sidetöötajate hüpoteesi. Ja peagi avanes võimalus seda suhet praktikas testida.Signaalimeeste lootused avatud lasersideks Maal paraku ei täitunud: vihm, lumi, udu muutsid suhtlemise ebakindlaks ja katkestasid selle sageli täielikult.
Selgus, et informatsiooni kandvad valguslained peavad olema atmosfääri poolt varjestatud. Seda saab teha lainejuhtide abil - õhukesed, ühtlased ja väga siledad metalltorud sees.
Kuid insenerid ja majandusteadlased mõistsid kohe raskusi, mis on seotud absoluutselt sujuvate ja ühtlaste lainejuhtide valmistamisega. Lainejuhid olid kullast kallimad. Ilmselt polnud mäng küünalt väärt.
Nad pidid otsima põhimõtteliselt uusi viise maailmajuhiste loomiseks. Tuli jälgida, et valgusjuhid ei oleks metallist, vaid mingist odavast, nappist toorainest. Valgust kasutades info edastamiseks sobivate optiliste kiudude väljatöötamiseks kulus aastakümneid.
Esimene selline kiud on valmistatud ülipuhast klaasist. Loodi kahekihiline koaksiaalne südamik ja kesta struktuur. Klaasitüübid valiti nii, et südamiku murdumisnäitaja oleks kõrgem kui kattekihil.
Peaaegu täielik sisepeegeldus optilises keskkonnas
Kuidas aga ühendada erinevaid klaase nii, et südamiku ja kesta piiril ei tekiks defekte? Kuidas saavutada siledus, ühtlus ja samal ajal maksimaalne kiu tugevus?
Teadlaste ja inseneride jõupingutustega loodi lõpuks soovitud optiline kiud. Tänapäeval edastatakse selle kaudu valgussignaale sadade ja tuhandete kilomeetrite ulatuses. Millised on aga valguse energia levimise seadused mittemetallilisel (dielektrilisel) juhtival kandjal?
Fiber režiimid
Ühemoodilised ja mitmemoodilised kiud kuuluvad optiliste kiudude hulka, mille kaudu valgus liigub, kogedes südamiku katte liideses korduvaid sisepeegeldusi (eksperdid peavad "režiimi" all silmas resonaatorisüsteemi loomulikke võnkumisi).
Kiu moodusteks on oma lained, st. need, mis on kinni võetud kiu südamiku poolt ja levivad piki kiudu selle algusest lõpuni.
Kiu tüübi määrab selle konstruktsioon: komponendid, millest südamik ja vooder on valmistatud, samuti kiu mõõtmete ja kasutatava lainepikkuse suhe (eriti oluline on viimane parameeter).
Ühemoodiliste kiudude puhul peab südamiku läbimõõt olema lähedane loomulikule lainepikkusele. Paljudest lainetest haarab kiu tuum ainult ühe oma lainetest. Seetõttu nimetatakse kiudu (valgusjuhikut) üherežiimiliseks.
Kui südamiku läbimõõt ületab teatud laine pikkust, siis on kiud võimeline juhtima mitukümmend või isegi sadu erinevaid laineid korraga. Nii töötab mitmemoodiline kiud.
Teabe edastamine valguse kaudu läbi optiliste kiudude
Valgust süstitakse optilisse kiudu ainult sobivast allikast. Kõige sagedamini - laserist. Kuid miski pole oma olemuselt täiuslik. Seetõttu sisaldab laserkiir, vaatamata sellele omasele monokromaatilisusele, siiski teatud sagedusspektrit ehk teisisõnu kiirgab teatud lainepikkuste vahemikku.
Mis peale laseri võib olla optiliste kiudude valgusallikas? Suure heledusega LED-id. Kiirguse suunatavus on neis aga palju väiksem kui laseritel.Seetõttu sisestatakse lauldavate dioodide abil kiududesse kümneid ja sadu kordi vähem energiat kui laseriga.
Kui laserkiir on suunatud kiu südamikule, tabab iga laine seda rangelt määratletud nurga all. See tähendab, et sama ajaintervalli erinevad omalained (režiimid) läbivad erineva pikkusega kiu (alates selle algusest lõpuni). See on laine dispersioon.
Ja mis saab signaalidest? Läbides sama ajavahemiku jooksul kius erinevat teed, võivad nad moonutatud kujul jõuda rea lõppu.. Eksperdid nimetavad seda nähtust režiimi dispersiooniks.
Kiu südamik ja kest on sarnased. juba mainitud, on need valmistatud erineva murdumisnäitajaga klaasist. Ja mis tahes aine murdumisnäitaja sõltub ainet mõjutava valguse lainepikkusest. Seetõttu on olemas aine dispersioon ehk teisisõnu aineline dispersioon.
Lainepikkus, režiim, materjali hajumine on kolm tegurit, mis mõjutavad negatiivselt valgusenergia ülekannet läbi optiliste kiudude.
Ühemoodilistes kiududes pole režiimide hajutamist. Seetõttu suudavad sellised kiud ajaühikus edastada sadu kordi rohkem teavet kui mitmemoodilised kiud. Kuidas on lood lainete ja materjalide dispersioonidega?
Ühemoodiliste kiudude puhul püütakse teatud tingimustel tagada, et laine ja materjali dispersioon üksteist kustutaks. Seejärel oli võimalik luua selline kiud, kus režiimi ja laine dispersiooni negatiivne mõju nõrgenes oluliselt. Kuidas sa sellega hakkama said?
Valisime kiudmaterjali murdumisnäitaja muutuse sõltuvuse graafiku selle kauguse muutusest teljest (piki raadiust) vastavalt paraboolseadusele. Valgus liigub mööda sellist kiudu ilma, et südamiku katte liidesel tekiks mitu täielikku peegeldust.
Side jaotuskapp. Kollased kaablid on ühemoodilised kiud, oranžid ja sinised kaablid on mitmemoodilised
Optilise kiu poolt püütud valguse teed on erinevad. Mõned kiired levivad piki südamiku telge, kaldudes sellest võrdsel kaugusel ühes või teises suunas ("madu"), teised, mis asuvad kiu telge ristuvates tasapindades, moodustavad spiraalide komplekti. Mõne raadius jääb muutumatuks, teiste raadiused muutuvad perioodiliselt. Selliseid kiude nimetatakse refraktsioonideks või gradientideks.
On väga oluline teada; millise piirava nurga all peab valgus olema suunatud iga optilise kiu otsa. See määrab, kui palju valgust kiudu siseneb ja see juhitakse optilise liini algusest lõpuni. Selle nurga määrab kiu numbriline ava (või lihtsalt - ava).
Optiline side
FOCL
Optiliste sideliinidena (FOCL) ei saa kasutada optilisi kiude, mis on ise õhukesed ja haprad. Kiudusid kasutatakse kiudoptiliste kaablite (FOC) tootmise toorainena. FOC-sid toodetakse erineva kujunduse, kuju ja otstarbega.
Tugevuse ja töökindluse poolest ei jää FOC-id alla nende metallimahukatele prototüüpidele ning neid saab paigaldada samadesse keskkondadesse, kus on metalljuhtmetega kaableid – õhus, maa all, jõgede ja mere põhjas. WOK on palju lihtsam.Oluline on see, et FOC-id on elektriliste häirete ja magnetiliste mõjude suhtes täiesti tundlikud. Lõppude lõpuks on metallkaablites selliste häiretega raske toime tulla.
Esimese põlvkonna optilised kaablid 1980ndatel ja 1990ndatel asendasid edukalt automaatsete telefonijaamade vahelisi koaksiaalseid kiirteid. Nende liinide pikkus ei ületanud 10-15 km, kuid signaalijad hingasid kergendatult, kui sai võimalikuks kogu vajaliku info edastamine ilma vahepealsete regeneraatoriteta.
Suhtluskanalitesse ilmus suur pakkumine "elamispinda" ja mõiste "teabe tihedus" kaotas oma tähtsuse. Kerge, õhuke ja piisavalt paindlik, FOC paigaldati raskusteta olemasolevasse maa-alusesse telefoni.
Automaatse telefonikeskjaamaga oli vaja lisada lihtsad seadmed, mis muudavad optilised signaalid elektrilisteks (eelmise jaama sisendis) ja elektrilisteks optilisteks (järgmise jaama väljundis). Kõik kommutatsiooniseadmed, abonendiliinid ja nende telefonid ei ole muutunud. Kõik osutus, nagu öeldakse, odav ja rõõmsameelne.
Valguskaabli paigaldus linnas
Optilise kaabli paigaldamine õhuliini toele
Kaasaegsete optiliste sideliinide kaudu edastatakse teavet mitte analoogsel (pideva) kujul, vaid diskreetsel (digitaalsel) kujul.
Optilised sideliinid võimaldasid viimase 30-40 aasta jooksul kommunikatsioonitehnoloogiates läbi viia revolutsioonilisi muutusi ja suhteliselt kiiresti pika aja jooksul lõpetada teabe edastamise kanalite "teabe tiheduse" probleemi.Kõigi side- ja edastusvahendite hulgas on teave, optilised sideliinid juhtival kohal ja domineerivad kogu XXI sajandi jooksul.
Lisaks: